Для подвода тока при электролизе глиноземного расплава и для футеровки внутренней поверхности стенок электролизера применяются угольные электроды и плиты. Исходными материалами для их производства являются твердые углеродистые материалы (антрацит, нефтяной или смоляной кокс) и связующие вещества (например, пек – продукт перегонки каменноугольной смолы).
Измельченные и смешанные в надлежащих пропорциях исходные материалы прессуются, а затем подвергаются обжигу с нарастанием температуры до 1400 ∘C по определенному графику (длительность процесса около 200 часов), после чего медленно охлаждаются. При обжиге происходит размягчение и коксование пека, который скрепляет зерна твердых углеродистых материалов.
Электролиз глинозема
Электролиз проводится в расплавленном криолите Na3AlF6.
СХЕМА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
Электролизер состоит из металлического корпуса 1, имеющего теплозащитную футеровку 2 и выложенного внутри угольными плитами и блоками 3, 4 на глубину 400-600 мм. К угольной подушке ванны (катоду) при помощи штырей подключены медные шины для подвода тока.
Угольные аноды 5 частично погружены в электролит. По мере расхода аноды постепенно опускаются и периодически заменяются. К аноду через штыри подводится ток от 300 кА и более. Рабочее напряжение 4,0-4,5 В.
Электролит состоит из криолитно-глиноземного расплава, в котором содержится 6-8% глинозема.
В ванну электролизера заливают жидкий электролит. В рабочем объеме ванны электролит находится в жидком состоянии, а на стенках ванны затвердевает в виде гарнисажа 6
На поверхности ванны электролит образует твердую корку, на которую насыпается глинозем для пополнения ванны по мере расхода глинозема из расплава.
Криолит, служащий для образования расплава, понижает температуру плавления электролита. Температура плавления глинозема 2050 ∘C, а температура плавления электролита из 6-8% глинозема и 92-94% криолита с добавкой AlF6 или 15% глинозема и 85% криолита составляет всего 935 ∘C.
При электролизе под влиянием электрического поля катионы Na^+, Al^+3, Ca^+2, Mg^+2 перемещаются к катоду, но разряжаются на катоде, как наиболее электроположительные, только катионы алюминия. К аноду перемещаются анионы AlF6^3−,F^−,Cl^− и кислородосодержащие ионы.
Осаждающийся на поду электролизера алюминий периодически извлекают при помощи вакуумного ковша.
Обслуживание электролизера заключается в питании ванны глиноземом, корректировании состава электролита, наблюдении за анодами, за уровнем электролита и металла, извлечении алюминия из ванны.
Производство алюминия – одна из наиболее энергоемких ортаслей металлургии. Для получения 1т металла расходуется до 20 тысяч кВт-ч (16500-18500) электроэнергии.
Рафинирование алюминия
Извлеченный из электролизера алюминий, содержит примеси кремния, железа и других металлов, глинозема, фтористых солей, углерода, карбида натрия, газов (водорода, кислорода, азота, оксида углерода, сернистого газа), ухудшающих его свойства.
Для очистки алюминия от примесей применяют отстаивание жидкого алюминия в ковшах и печах, рафинирование алюминия хлором, а также электролитическое рафинирование.
Отстаивание жидкого алюминия в ковше или электрической печи при 690−730 ∘C в течение 30-45 минут также способствует всплыванию неметаллических включений и газов из металла.
Рафинирование хлором заключается в пропускании через расплавленный алюминий газообразного хлора при 700 ∘C, который взаимодействует с алюминием по реакции:
3Cl2+2Al=2AlCl3
Хлористый алюминий кипит при 170 ∘C и при температуре процесса находится в парообразном состоянии. Поднимаясь на поверхность алюминия, пары хлористого алюминия способствуют всплыванию неметаллических включений, газов и некоторых соединений хлора с металлами – примесями.
Наибольшая чистота первичного алюминия, полученного электролизом после отстаивания и рафинирования хлором, достигает 99,7–99,8%. Основные примеси в первичном алюминии железо и кремний не позволяют применять его в тех случаях, когда требуется металл высокой пластичности, коррозионной стойкости и высокой электропроводности.
Выпускается 5 марок первичного алюминия высокой чистоты: А999, А99, А98, А97, А95 и 10 марок алюминия технической чистоты: от А85 до А0 с содержанием алюминия от 99,85% до 99,00%.
Часть первичного алюминия подвергают электролитическому рафинированию, так как отдельные отрасли техники нуждаются в алюминии еще более высокой чистоты до 99,999%.
Рафинирование заключается в анодном растворении алюминия и выделении на катоде чистого алюминия.
Полученный алюминий разливают в слитки различной формы и размеров в зависимости от назначения. Используется непрерывная разливка и разливка в магнитном поле.
Для электронной промышленности при производстве полупроводниковых приборов и микросхем требуется алюминий очень высокой чистоты, который получают методом зонной плавки и другими сложными и дорогими способами очистки.
В атомной технике алюминий высокой чистоты используется как нейтронно-прозрачный материал.
Алюминиевые сплавы
Алюминиевые сплавы делят на две группы по способам получения изделий из них: деформируемые сплавы, изделия из которых получают обработкой давлением, и литейные сплавы, изделия из которых получают литьем.
Существуют 5 групп деформируемых сплавов алюминия по ГОСТ 4784 – 97 и 5 групп литейных сплавов алюминия по ГОСТ 1583 – 93.
Доля деформируемых сплавов алюминия, используемых в машиностроении, составляет около 80%, доля литейных около 20%.
Деформируемые сплавы делят на две подгруппы: сплавы упрочняемые термообработкой и сплавы, не упрочняемые термообработкой.
Из группы деформируемых сплавов алюминия наиболее широко используются дюралюмины (дуралюмины), которые содержат по три – четыре и более компонентов: медь, марганец, магний и др. Они подвергаются упрочнению термообработкой. Вредной примесью для дюралюминов является железо, которое снижает прочность и пластичность.
Дюралюмины обладают высокой пластичностью (относительное удлинение до 40%) и хорошо обрабатываются давлением, как в горячем, так и в холодном состоянии.
Примеры марок: Д1, Д16, Д18.
Состав группы литейных сплавов также очень разнообразен.
Здесь широкое применение находят силумины – сплавы алюминия с кремнием до 13,5% и другими элементами. Эти сплавы имеют плотность почти в три раза меньше, чем у стали и имеют хорошие механические свойства. Силумины, как и дюралюмины, очень чувствительны к примесям железа, снижающим их прочность и пластичность.
Примеры марок: АК13, АК12, АК9.