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.