123938 (Производство алюминия)

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ СПО БРАТСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ТЕХНИКУМ

РЕФЕРАТ

На тему: “Производство алюминия”

Выполнила:

студентка гр. МЦ – 03

Черкасова К.С.

Проверил:

Щиколдин Николай Викторович

Братск – 2008.

Содержание

1. Состав и свойства электролита

2. Строение криолито – глиноземных расплавов

3. Плотность алюминия электролита

4. Электропроводность КГР

5. Поверхностное натяжение

6. Давление насыщенного пара

7. Напряжение разложения

8. Механизм электролиза КГР

9. Анодный эффект положительные и отрицательные действия

10. Расчет производительности электролизера, выходы по току, выходы по энергии удельного расхода электроэнергии. Влияние различных факторов на выход по току

11. Технологические параметры катодного узла

2. Состав и свойства электролита

В электрохимическом ряду Al занимает место среди наиболее отрицательных Me поэтому его нельзя выделить из водных расплавов.

До настоящего времени единственной солью до получения Al является криолит Na₃ Al F₆.

1. Криолит (Na₃ Al F₆) – 75 - 90 %.

2. Глинозем (Al₂ O₃) – 1 - 10 %.

3 . Al F₃ – 5 – 12 %.

4. Ca F₂ – 4 – 6 % неболее ∑ 8-10%

5. Mg F₂ – 6 %

К электролиту алюминиевых электролизеров предъявляют требования:

1. В расплавленном состоянии должен хорошо растворяться Al₂ O₃.

2. Температура плавления при растворении Al₂O₃ не должна быть намного выше, чем температура плавления Al.

3. Плотность должна быть ниже, чем у Al.

4. Должен быть жидкотекучим, что способствуют легкому удалению анодных газов, быстрому выравниванию состава электролита по всему объему ванны, уменьшению потерь Al в результате запутывания корольков Me в расплаве.

5. Должен быть электропроводным.

6. Упругость насыщенного пара компонентов электролита должна быть по возможности более низкой.

7. Не должна быть широскопичным.

8. Все материалы, поступающие на электролиз, должны иметь минимальное содержание примесей, более электроположительных, чем Al (Fe; Si; Cu и другие) поскольку эти примеси почти полностью переходят в Me и загрязняют его.

9. Не должен химически взаимодействовать с футеровкой электролиза.

Криолит Na3 Al F6 – комплексная соль, состоящая из второв натрия и Al (3 NaF AlF₃). Температура плавления примерно 1010 ⁰ C.

AlF₃ имеет кристаллическую решетку, в узлах которой находятся октаэдрические полы Al F₆^-3 , соединенные общими полами F. В решетке реализуется значительная доля ковалентных связей, что является причиной малой ее прочности. – Al F₃ – возгоняется без плавления, имеет высокое давление насыщенного пара.

Al F₃ – самый летучий компонент, широскопичный, подвержен гидролизу влагой, содержащейся в атмосферном воздухе.

Другие компоненты – NaF, CaF₂, MgF₂, NaCl и LiF – являются чистополлыми соединениями, они плавятся без разложения и устойчивы к действию влаги.

Для производства Al применяют высшие сорта Al₂O₃, содержание оксидов Fe и Si которых составляет 0,03 и 0,08 % и 0,02 – 0,2 %.

Технический глинозем содержит две полиморфные модификации – £ и j

£ - характеризуется высокой плотностью кристаллической решетки, большой химической стойкостью и твердостью 25 – 30 % £ Al₂O₃.

j – имеет менее плотную решетку, очень гигроскопична и химически активна – 65 – 70 % j Al₂O₃.

В результате нагрева, начиная с 950⁰С происходит полиморфное превращение j в £.

При большом содержании £ - Al₂O₃ затруднено растворение Al₂O₃ в криолите, а при меньшем его содержании возрастает гигроскопичность Al₂O₃.

Электролит содержит в небольших количествах некоторые другие вещества, образующиеся за счет примесей, вносимых с сырьем или вводимых специально для улучшения физико-химических свойств расплава (CaF₂MgF₂; NaCe; LiF).

Криолитовое отношение (КО) – это молекулярное отношение NaF/AlF₃.

Для чистого криолита КО = 3. Электролиты содержащие избыток NaF и КО > 3, называются щелочным, имеющие избыток AlF3 и КО < 3, называются кислыми. Нормальный электролит – кислый, но в некоторые периоды эксплуатации электролизеров он м/б щелочным.

Промышленные электролиты содержат небольшой избыток AlF₃.

На заводах КО обычно поддерживают 2,6 – 2,8.

Избыток F ведет к снижению t^o промышленности электролита.

Два раза в неделю берут пробы на КО, в лаборатории делают анализ, и по данным анализа корректируют состав электролита фтористым алюминием (AlF₃).

1. Строение криолито – глиноземных расплавов

Расплавы Na F – AlF₃. Зависимости электропроводности кристаллических NaF и Na₃Al₆ от температуры отличаются характерной особенностью: электропроводность криолита оказывается на 1-2 порядка выше, чем для кристаллического NaF; при 565 ⁰С, когда происходит полиморфное превращение и увеличиваются расстояния между ионами Na⁺ и F^-, на политерме электропроводимости криолита имеется скачек.

Структура криолита в твердом состоянии характеризуется высокой степенью разупорядоченности: ионы Na⁺, находящиеся в межузлиях кристаллической решетки, особенно при т выше 5650С, обладают большой подвижностью, обеспечивая высокую проводность криолита.

Еще до т. плавления криолита в твердом состоянии происходит термическая диссоциация криолитовых комплексов:

AlF₆^-3 = AlF₄^- + 2F^-

При переходе через точку плавления эта диссоциация усиливается еще в большей степени, однако определенная концентрация криолитовых комплексов остается в расплаве, что и определяет наличие максимумов на диаграммах плотности и вязкости.

Хиолит Na₅AL₃F₁₄ в твердом состоянии имеет слоистую решетку, образованную октаэдрами AlF₆^-3. При плавлении происходит распад этого соединения. Над расплавом хиолита пар состоит из криолита и тетрафторалюмината натрия. Это означает, что и в расплаве существуют ионные группировки, отвечающие этим соединениям, (комплексные ионы AlF₆^-3 и AlF₄^-).

Тетрафторолюминат натрия NaAlF₄ имеет кристаллическую решетку, в узлах которой находятся ионы Na⁺ и октаэдры связи между этими ионами в значительной степени имеют ковалентный характер.

В жидком состоянии NaAlF₄ довольно устойчив, что подтверждается азеотропностью данного соединения (в равновесии состав жидкости и пара над NaAlF4 одинаков).

Таким образом, расплавы системы NaF – AlF₃ состоят из ионов: Na⁺, F-, AlF₆^-3 и AlF₄^-. Комплексные ионы AlF₆^3- AlF₄^- имеют динамическую природу: возникая в одном месте, они распадаются в другом, и их следует рассматривать как временные упорядоченности ионов F- вокруг Al₃⁺.

Расплавы системы Na₃ AlF₆^-3Al₂ O₃. В данной системе расплава криолит растворяет оксиды, в отличие от других си тем. Предполагается, что растворение глинозема в криолите связано с обменом ионами F^- и О₂^- между анионами AlF₆^-3расплавленного криолита и решеткой глинозема. Катионы Al₃⁺, принадлежащие криолиту, вырывают своим сильным полем анионы О₂^- из решетки глинозема. В результате этого обмена целостность кристаллической решетки глинозема нарушается и глинозем растворяется.

Таким образом “растворителем” глинозема и других оксидов в криолите является ион Al₃⁺, входящий в криолитовые комплексы AlF₆^-3и AlF₄^-.

В результате обмена F- на О₂^- в окружении ионов Al₃⁺ происходит образование новых оксифторидных комплексов типа AlOF_x^1-x, где х = 2-5. Простейший из таких комплексов AlOF₂. Образование его можно представить схемой:

Na₃ AlF₆ + ³Al₂ O₃ = 3Na Al₂ O₃.

По данной реакции на каждую молекулу глинозема образуется три новых оксифторидных иона AlOF₂^-.

Растворение глинозема в криолите сопровождается заметным взаимодействием криолита и глинозема. Объяснение этого состоит в том, что оксофторидные комплексы не имеют строго определенного состава: по мере роста концентрации растворенного глинозема строения оксифторидных комплексов усложняется, соотношение количеств ионов фтора и кислорода в них понижается. При больших концентрациях Al₂ O₃ в заэвтектической области, по-видимому, образуются сетки из алюминий-кислородных ионов с включенными в них ионами фтора. Вязкость таких расплавов резко увеличивается.

При равновесии кристаллизации происходит разрушение комплексов, и криолит кристаллизируется отдельно от глинозема. При закалке образуется твердый раствор глинозема в криолите.

Таким образом, глинозем, вводимый в криолитовый расплав, вступает в взаимодействие с криолитовыми комплексами и образует оксофторидные комплексы переменного состава. Расплав состоит из ионов: Na⁺, F^-, AlF₆^3-, AlF^4-, AlOF_х^х-1.

1. Плотность Al и электролита

В твердом виде 2,95г/ м³; Al – 2,7г/см³; Al₂O₃ – 3,9г/см³. В расплавленном состоянии плотность Al примерно на 10% выше, чем криолито-глиноземного расплава, что вполне достаточно для его разделения. Плотность криолита и Al в расплавленном состоянии зависит от температуры:

- для Al: £ = 2,382 – 0,000273 (t 659⁰).

- для криолита: £ = 2,112 – 0,00093 (t 1000⁰).

Добавки к криолиту NaF; AlF3; Al₂O₃ снижают плотность расплава. С повышением температуры плотность криолито-глиноземного расплава, как и чистого криолита понижается.

Для расплава, содержащего 5% Al₂O₃ при 960⁰C плотность равняется 2,1 г/см³, плотность Al – 2,3 г/см³.

Плотность Al с повышением температуры понижается медленнее, чем плотность криолито-глиноземного расплава. При понижении температуры плотность криолита, Al₂O₃, Al увеличивается не в одинаковой степени. Так как у криолита это происходит быстрее, при снижении температуры может наступить такой момент, когда плотности Me и электролита будут близки и произойдет их перемешивание. При этом Me может всплыть на поверхность, что нарушит процесс электролиза.

4. Электропроводность КГР

Электропроводность – важное свойство электролита. Это свойство зависит от структуры расплава, поскольку перенос тока обусловлен движением ионов, их природой и взаимодействием между ними. Для электролиза важно иметь наиболее электропроводные электролиты, так как повышение электропроводимости позволяет увеличить плотность тока без нарушения теплового равновесия электролизера, то есть, интенсифицировать процесс электролиза.

Наиболее высокой электропроводностью обладает чистый Na F. Удельная электропроводность электролита падает с возрастанием содержания Al F₃, подчиняясь линейной зависимости.

Удельная электропроводимость Na F при t = 1000⁰C = 4,46 ом см ^-1, криолит = 2,67 ом 40% Al F3 = 2,01 ом

Удельная электропроводимость криолито-глиноземного расплава является линейной функцией содержания Al2 O3.

При содержании Al2 O3 в криолите от 2 до 15% удельная электропроводность расплава уменьшается от 2,6 до 1,9 ом см. При расчетах пользуются обратной величиной удельным сопротивлением. Для расплава с 2% Al2 O3 при t⁰ = 1000⁰C удельное сопротивление: P = 1/2,6 = 0,385 ом см.

Электропроводность Al зависит от содержания в нем примесей. Чем выше сортность Al, тем больше электропроводность. С повышением температуры расплавов электропроводность увеличивается. Промышленный электролит кроме основного состава всегда имеет взвесь – частиц угольной пены. Это частицы, попавшие в электролит в результате неполного окисления анода.

Несмотря на то, что уголь имеет электропроводимость на три порядка выше, чем электролит, наличие угольных частиц приводит к уменьшению электропроводимости электролита.

Кроме угольных частиц м/б взвеси Al₂O₃ – они не проводят ток и снижают электропроводимость расплава.