Металлургия цветных металлов

Множители 10° и 103 введены соответственно для пе­ рехода от граммов к тоннам и от ваттов к киловаттам.

Некоторые заводы работают экономнее; однако всег­ да для получения алюминия требуются большие затраты энергии, путем к снижению которых может быть повы­ шение выхода по току и снижение напряжения на ванне.

Выход по току

Выше уже говорилось, что часть тока затрачивается на побочные процессы. Рассмотрим важнейшие из них.

Примеси железа и кремнезема, внесенные в электро­ лит его составляющими или перешедшие из угольной фу­ теровки и анодов, могут восстанавливаться на катоде вместе с алюминием. Они не только требуют лишних за­ трат тока, но и загрязняют металл.

Металлический алюминий несколько растворим в электролите. Распространяясь в объеме ванны и дости­ гая анода, он окисляется кислородом и углекислотой:

4А1 + 302 = 2А120 3, 2А1+ ЗС02 = А120 3+ЗС0.

Металлический алюминий, особенно растворенный или взвешенный в электролите в виде мелких капель, способен также окисляться до субгалогенидов A1F и А1С1, например по реакции

A1F3 + 2A1^3A1F.

Распространяясь в электролите, эти соединения окис­ ляются на аноде. На получение металла, окислившегося впоследствии на аноде, также затрачен ток. Можно счи­ тать, что это — потеря тока. Скорость окисления увели­ чивается при сближении анода с катодом (межполюс­ ное расстояние) и возрастает с температурой. Темпера­ тура также зависит от межполюсного расстояния. С уве­ личением его возрастает сопротивление и повышается температура. Для точного регулирования этих взаимно зависящих условий электролиза требуется применение автоматики.

Напряжение на ванне

Другая причина высоких затрат энергии на получение алюминия связана с напряжением на ванне. Для эконо­ мии энергии это напряжение надо снижать. Главный фактор здесь — межполюсное расстояние, определяющее толщину слоя электролита между электродами. Чем оно больше, тем больше сопротивление и падение напряже­ ния. Вместе с тем при сближении электродов понижает­ ся выход по току из-за усиленного окисления металла. Практикой выбрано межполюсное расстояние в пределах от. 4 до 5 см. Оно регулируется автоматически по изме­ рению сопротивления слоя электролита между электро­ дами ванны.

Напряжение можно снизить также, увеличив электро­ проводность расплава за счет большего криолитового отношения или повышения температуры; однако и то, и другое сопряжено с потерями тока из-за возможности совместного разряда ионов Na+ либо усиленного окисле­ ния алюминия на аноде. Перегрев способствует и испа­ рению A1F3.

Добавки NaCl или MgCl2 повышают электропровод­ ность расплава, a CaF2 и MgF2 ее понижают. Те и другие при суммарном содержании до 1 0 % мало влияют на на­ пряжение. Вместе с тем они полезны, так как понижают температуру начала затвердевания электролита и темпе­

к площади катода в квадратных сантиметрах. Она опре­ деляет производительность ванны.

Повышая плотность тока, можно получить в той же ванне больше металла. Однако чем выше плотность тока, тем выше напряжение на ванне и затраты энергии на электролиз. Катодная плотность тока, установленная многолетним опытом производства, составляет 0,7—

1,1 а)см2.

Анодный эффект

Как уже указывалось, при электролизе на аноде вы­ деляются газы, кислород дает с углеродом анода СО

и СОг. Если жидким электролитом хорошо смачивается угольный анод, пузырьки газов удаляются легко, а при плохой смачиваемости они сливаются в сплошную газо­ вую прослойку (рис. 99).

Смачиваемость зависит от содержания AI2O3 в элек­ тролите. Пока глинозема много, смачиваемость анода хо­ рошая, а когда. А120 3 становится менее 1 %, она резко

слой газов, не проводящий тока. Сопротивление цепи ванны резко возрастает, вместе с этим увеличивается и расход энергии.

Чтобы вовремя обнаружить анодный эффект, парал­ лельно ванне включают лампочку на 30—40 в. При нор­ мальной работе она не горит: обычного напряжения на ванне недостаточно для накала. С наступлением анодно­ го эффекта напряжение повышается и лампа загорается.

Анодный эффект — сигнал для загрузки новой пор­ ции глинозема; однако связанное с этим резкое повыше­ ние напряжения увеличивает расход энергии и обходит­ ся дорого. Поэтому анодные эффекты стараются преду­ преждать своевременной загрузкой глинозема, допуская появление их не чаще одного раза за 3—5 суток.

Устройство электролизера и его работа

Угольные изделия, необходимые для устройства элек­ тролизеров, — прямоугольные блоки, плиты и анодную

массу, служащую материалом для анодов, делают на особых заводах. Сырьем для этого служат малозольные углеродистые материалы: некоторые антрациты, нефтя­ ной и пековый кокс. Малое содержание золы требуется потому, что составляющие ее, растворяясь в расплавлен­ ном электролите, могут загрязнять алюминий или сни­ жать выход его по току. Нефтяной и пековый кокс — про­ дукты сухой перегонки нефтяной или каменноугольной смолы. Зольность этих видов сырья около 0,4%, а у ан­

Нефтяной и пековый кокс, а также антрацит дробят и прокаливают при 1300° С для полного удаления лету­ чих. Охлажденные материалы измельчают, просеивают, смешивают фракции крупности в известном соотноше­ нии: сначала между собой, а затем с разогретым пеком. Пек — это густая каменноугольная смола, при темпера­ туре 45—85° С она становится жидкотекучей. Из полу­ ченной вязкой массы прессуют изделия под давлением 24,6—39,2 Мн/м2 (250—400 кГ/см2). Для придания проч­ ности и уменьшения пористости заготовки обжигают при температуре 1400° С» которую медленно повышают до этого предела и после некоторой выдержки снижают по особому, графику. Общая продолжительность обжига до 200 ч. Пек коксуется, от чего изделия становятся прочными и плотными. Сопротивление обожженных угольных изделий сжатию достигает 24,5—34,3 Мн/м2 (250—350 кГ/см2), а пористость их не превышает 25%.

На тех же заводах часть продукции выпускают в ви­ де брикетов анодной массы — необожженной смеси углеродистых порошков с большим содержанием свя­ зующего — пека.

Дополняя описание ванны, схема которой была по­ казана на рис. 84, надо сказать, что она устанавливает­ ся на бетонном фундаменте, поверх которого кладут не­ сколько слоев кирпича. Подину выкладывают из уголь­ ных блоков — параллелепипедов размером 400Х400Х Х550 мм, а стены — из угольных плит. Снаружи стены укреплены кирпичной кладкой, засыпкой из шамота и заключены для прочности в стальной кожух с ребра­ ми жесткости. В подовых блоках сделаны канавки, в ко­ торые закладывают стальные стержни и заливают их

чугуном. К этим стержням крепятся шины, подводя­ щие ток.

Над ванной на конструкции из стальных балок под­ вешен анод в кожухе из листового алюминия толщиной около 0,9 мм. В кожух загружают анодную массу; на­ греваясь, она плавится, затем густеет и твердеет.

Нижние слои массы, погруженные в электролит, спекаются, образуя твердый «конус спекания», пока­ занный на рис. 84. По мере сгорания анод постепенно опускают с помощью особого механизма, конец алюми­ ниевой обечайки при этом плавится. Сверху в кожух периодически добавляют свежую анодную массу.

на подвесном устройстве. По мере сгорания и опуска­ ния анода нижние штыри выдергивают пневматическим механизмом и забивают выше следующего ряда, кото­ рый теперь становится рабочим.

Анод описанного устройства называют непрерывным, самообжигающимся, с боковым подводом тока. Прежде пользовались заранее обожженными угольными анода­ ми и'заменяли их по мере сгорания. Самообжигающиеся аноды оказались более выгодными и удобными; те­ перь они приняты почти повсеместно и применяются также в электропечах, например при выплавке никеле­ вых штейнов.

Размеры и производительность ванны характеризу­ ют ее электрической мощностью или силой тока — Ам­ перной нагрузкой. Амперная нагрузка "современных ванн с боковым подводом тока к аноду составляет от 60000 до 100 000 а.

Площадь подошвы анода и геометрические размеры ванны можно определить, исходя из обычной плотности тока в 1 а!см2 или 10000 а/м2; площадь анода при на­ грузке в 100000 а будет 100000: 10000=10 м2.

Штыри, подводящие ток, не удается забивать слиш­ ком глубоко. В связи с этим ширина анода ограничена степенью равномерности распределения тока, а повы­ шение нагрузки ванны — ее длиной. При забивке шты­ рей сверху анод может быть более широким, а ванна более производительной.

Ванны с верхним подводом тока делают на нагруз­ ку до 140000 а. Штыри в анод устанавливают сверху, располагая их в 2—4 ряда: концы штырей находятся на разных уровнях по высоте (рис. 100).

Ванна имеет раздвижные или подъемные боковые железные шторки, позволяющие отсасывать вредные для людей анодные газы.

При боковом подводе тока шторки далеко от анода: мешают штыри, поэтому вместе с газами отсасывается много атмосферного воздуха. При верхнем подводе то­ ка отсос сделать проще, а вредные газы, не слишком разбавленные воздухом, удается сжигать.

Рис. 100. Ванна с верхним подводом тока:

/ — штыри; 2 — конус спекания анода; 3 — железные шторы; 4 — отсос газов

Еще одно преимущество верхнего подвода тока — в отказе от алюминиевого анодного кожуха. Этот ко­ жух, требующий постоянного наращивания, можно за­ менить неподвижным стальным, в котором спеченная часть анода, скользя, опускается.

Для питания электролизных ванн применяют ртут­ ные выпрямители, дающие ток в 5000—6000 а при на­

ченных выпрямителей. Напряжение на ванне с учетом потерь в контактах и шинах около 5 в. Поэтому к такой группе выпрямителей подключают последовательно

160 ванн в зависимости от напряжения питания. Выпря­ мители располагаются в отдельном здании близ элек­ тролитного цеха. Сверх расчетного количества на под­ станции на каждые четыре выпрямителя устанавлива­ ют один резервный.

Серию ванн располагают в двух длинных зданиях — корпусах, построенных параллельно на расстоянии око­ ло 40 м.

Обслуживание ванн и контроль производства

После пуска или капитального ремонта ванна рабо-‘ тает непрерывно около 3 лет. Поверхность электролита в нормально работающей ванне покрыта твердой кор­ кой. Глинозем, доставляемый к ваннам пневматическим или другим транспортом, насыпают на корку. Для за­ грузки корку пробивают особым механизмом.

Загрузку делают периодически, руководствуясь гра­ фиком и наблюдениями за ходом электролиза. Стара­ ются не допускать истощения электролита и возникно­ вения анодного эффекта, всегда вызывающего лишний расход энергии. При правильном обслуживании вспыш­ ки бывают не чаще одного раза за 3—5 суток.

Толщина слоя электролита должна быть в пределах от 17 до 20 см\ ее измеряют, кратковременно опуская

в ванну железный стержень, и поддерживают загруз­ ками криолита.

Анализом периодически проверяют криолитовое от­ ношение и поправляют его загрузкой фторидов натрия, алюминия и добавок. Фториды и криолит загружают

так же, как и глинозем.

При накоплении алюминия на подине ванны уменьшается межполюсное расстояние, а слишком частые выпуски его нежелательны из-за связанных с этим потерь тепла и по дру­ гим причинам. Металл выгру-

жают из ванны один раз за 2—4 суток вакуумным ков­ шом (рис. 101), оставляя слой его толщиной не' менее 25—30 см.

Регулирование температуры ванны

Обычно температура ванны 950—970° С. По разным причинам возможны отклонения ее от этих пределов. Холодный или горячий ход ванны указывает на нару­ шение режима электролиза и повышенные затраты энергии, а поэтому его следует быстро .исправлять.

Причиной холодного хода может быть малая сила то­ ка, малое межполюсное расстояние либо слишком боль­ шое количество металла в ванне. Недостаточный приход тепла при малом токе понятен. Из предыдущего извест­ но также, что уменьшение расстояния между анодом и катодом снижает падение напряжения в слое электро­ лита, а следовательно, и количество тепла, выделяемое током. Высокий слой металла повышает теплоотдачу во внешнюю среду. Холодный ход усугубляется выделением осадков в электролите, преимущественно около стен ван­ ны. Настыли отжимают металл к центру и повышают его уровень, еще более уменьшая межполюсное расстояние. Все это может привести к полному замораживанию ванны.

Помимо усиления тока и увеличения расстояния меж­ ду полюсами, холодный ход можно выпр'авить, выпустив часть металла или залив горячий электролит из соседней ванны.

При малом межполюсном расстоянии может наблю­ даться и горячий ход ванны из-за интенсивного окисле­ ния алюминия на ее аноде: при окислении выделяется много тепла.

Возможны и местные перегревы из-за замыканий, на­ пример, обломившимся куском анода или футеровки, изза образования осадков в электролите, неравномерного сгорания анода или по другим причинам.

Горячий ход выправляют после определения вызвав­ ших его причин. Общие меры здесь — добавление твер­ дого или жидкого алюминия, регулирование межполюс­ ного расстояния и уровня электролита.

Обработка и разливка алюминия

Алюминий, выпущенный из электролизной ванны, за­ грязнен неметаллическими примесями: включениями электролита, частицами угля и огнеупорных материалов, а также растворенными газами, преимущественно водо­ родом. Перегретый жидкий алюминий энергично восста­ навливает внесенный в ванну с глиноземом водород из влаги воздуха и воды. Газообразный водород растворя­ ется в алюминии. Неметаллические примеси и газы уда­ ляют из алюминия хлорированием.

Хлорирование проводят в особом ковше, выложенном внутри огнеупорным кирпичом. В ковш переливают жид­