Статьи

Алюминий высокой чистоты в промышленном масштабе получают методом электролитического рафинирования по трехслойному способу. Этот процесс осуществляется в электролизерах для рафинирования алюминия. Серия электролизеров для рафинирования
располагается, как правило, в одном корпусе, аналогичном по своей конструкции корпусу электролиза алюминия.

Основным сырьем для электролитического рафинирования служит расплавленный алюминий технической чистоты, поэтому корпуса электролитического рафинирования входят в состав электролизного цеха. Обычно они называются отделением рафинирования.

Электролитическое рафинирование алюминия по трехслойному методу основано на способности алюминия в процессе электролиза
его сплава с медью к электрохимическому растворению на аноде и восстановлению на катоде: на аноде Al—Зе→Al³⁺; на катоде
Al³⁺+3e→Al.

В результате электролиза более электроположительные элементы (железо, кремний, медь и др.) накапливаются в анодном
сплаве. Более электроотрицательные элементы (натрий, барий, кальций и др.) переходят в электролит, не выделяясь на катоде,
так как потенциал их выделения выше потенциала алюминия.

Для создания условий протекания этого процесса приготавливают анодный сплав алюминия с 30—40 % Сu, плотность которого
3,2—3,5 г/см³, и он располагается на подине шахты электролизера. Катодом служит рафинированный алюминий, имеющий при
температуре протекания процесса электролиза плотность 2,3 г/см³. Между анодным сплавом и катодным металлом находится слой
электролита плотностью 2,7 г/см³, который состоит из криолита, хлористого бария и хлористого натрия.

В настоящее время применяются электролизеры для производства алюминия высокой чистоты на силу тока до 100 кА (рис. 136).
Габариты и конструкция этих электролизеров зависят от их мощности. Величина катодной и анодной плотностей тока при рафинировании в зависимости от мощности электролизеров составляет 0,5—0,7 А/см²

Рафинировочные электролизеры монтируют в сварном металлическом кожухе прямоугольной формы с днищем. С наружной
стороны к кожуху для увеличения жесткости приваривают вертикальные и горизонтальные “ребра” жесткости из профилированной стали. Футеровка кожуха до уровня подины аналогична футеровке электролизеров для производства алюминия; боковые стенки
кожуха футерованы токонепроводящими материалами: листовым асбестом, шамотным и магнезитовым кирпичом, стойким к действию электролита, применяемого при рафинировании. С одной из сторон электролизера смонтирован футерованный магнезитовымкирпичом загрузочный карман, который на уровне подины соединен каналом с шахтой ванны.

Ток подводится к стальным стержням; угольная подина и сплав алюминия с медью служат анодом, а слой рафинированного алюминия с огруженными в него графитированными электродами—катодом. Электроды в верхней части имеют отверстие, в котором

залит чугуном стальной стержень, соединенный с алюминиевой штангой. Штанги крепятся к токоподводящей катодной шине шинопровода. Боковые поверхности катодов защищены от окисления нанесенным на них слоем алюминия. Для перемещения катодного
узла на электролизере предусмотрен механизм подъема. Число и размеры катодов, устанавливаемых в электролизере, зависят от его мощности. Для уменьшения потерь тепла верх ванны имеет укрытие.

Перед началом эксплуатации нагревают шахту ванны и обжигают межблочные швы теплом от сжигания газообразного или жидкого топлива, подаваемого в зону обжига форсунками. Прогрев подины и боковых стенок шахты необходимо вести равномерно по всей поверхности, так как местные перегревы могут привести к образованию трещин в подовых блоках и боковой футеровке.

Пуск рафинировочного электролизера производят в следующем порядке. На очищенную подину устанавливают предварительно подогретые графитированные катоды, соединенные через алюминиевую штангу с катодными шинами. Затем на подину через карман заливают анодный сплав, и электролизер включают в электрическую цепь. После этого в ванну заливают электролит и одновременно поднимают катодное устройство. При включении электролизера в цепь обязательно проверяют равномерность распределения тока по катодам; при обнаружении нарушения обычно заменяют катоды. Для создания нормальных условий протекания процесса электролиза катоды поднимают из электролита на необходимую высоту.

Для создания катодного слоя алюминия в начале работы электролизера применяют высокосортный алюминий-сырец, который заливают в ванну до создания слоя не менее 100 мм.

В первый период работы необходимо внимательно следить за высотой столба электролита, не допуская его чрезмерного снижения вследствие пропитки футеровки. В этот период основное внимание уделяют очистке электролита от образующегося шлама, его следует периодически удалять. По мере наработки рафинированного алюминия содержание примесей в катодном металле снижается. При достижении слоем катодного металла химического состава, отвечающего требованиям к алюминию высокой чистоты, начинается нормальная эксплуатация электролизера.

Приготовление электролита — расплавление и рафинирование различных солей—обычно осуществляют в специально выделенных для этого электролизерах, так называемых ваннах-матках Состав электролита рассчитывают, исходя из содержания в нем бария, фтора, хлора, натрия и алюминия. Дозированные по массе соли тщательно перемешивают до получения смеси однородного состава. Перед загрузкой этих солей в ванну-матку из неё сливают катодный металл, оставляя слой такой толщины, чтобы не было разрывов металла и не оголилась поверхность электролита.
Шихту засыпают на поверхность металла тонким слоем. После расплавления одной пoрции coлей засыпают следующую и так до тех пор, пока не будет наплавлено требуемое количество электролита.

Рафинирование электролита продолжается несколько часов после расплавления шихты. Напряжение на ванне-матке при наплавлении и рафинировании электролита поддерживают в пределах 10—15 В. После удаления необходимой части электролита из ванны-матки оставшуюся его часть очищают от шлама. Графитовые электроды устанавливают в ванну-матку без алюминиевых
защитных “рубашек”, чтобы они пропитались электролитом.

Анодный сплав при отсутствии специальной печи готовят в ванне-матке. Для этого в неё загружают подогретую медь и через загрузочный карман заливают алюминий-сырец. Состав приготавливаемого сплава рассчитывают, исходя из количества загруженной меди и залитого алюминия-сырца. После расплавления меди анодный сплав перемешивают, а затем через карман набирают в вакуумный ковш для транспортирования к ваннам.

Нормальная работа рафинировочных электролизеров характеризуется установившимся тепловым равновесием на ванне. Температуру электролита следует поддерживать в пределах 780—810 °С, рабочее напряжение устанавливать в зависимости от конструкции
и состояния электролизеров; высоту слоя электролита поддерживать в пределах 100—120 мм, уровень анодного сплава 300—350 мм. Высота слоя катодного алюминия после очередной выливки не должна быть менее 120 мм.

Обслуживание рафинировочных электролизеров при нормальной их работе сводится к следующим операциям: выливка рафинированного алюминия, заливка алюминия-сырца, подлежащего рафинированию, корректировка электролита и анодного сплава, удаление осадков из анодного сплава, обслуживание катодов и извлечение шлама из электролита.

Выливку рафинированного алюминия из электролизеров ведут вакуумным ковшом по принятому графику, обычно один раз в два дня. Перед выливкой на всасывающую трубу ковша надевают графитовый патрубок специальной формы в виде стакана с радиальными отверстиями у дна. Прогретый патрубок опускают в электролизер на глубину, равную слою металла, подлежащего выливке. При выливке по мере уменьшения слоя катодного металла катоды опускают, включив механизм для перемещения катодного устройства.

Алюминий-сырец, подлежащий рафинированию, заливают в загрузочный карман электролизера из литейного ковша, непрерывно
перемешивая сплав с помощью специальной машины с графитовым штоком. Разрыв во времени между операциями выливки катодного
металла и заливки алюминия-сырца стараются по возможности сократить.

По данным анализов и замеров, проводимых согласно принятой схеме контроля технологических параметров и процесса производства, осуществляют корректировку электролита и анодного сплава.

Приготовленный в ванне-матке электролит заливают в рафинировочный электролизер при помощи специального графитового стакана с отверстиями в боковой поверхности. Стакан опускают в электролит через слой катодного алюминия. Анодный сплав заливают в электролизер для восполнения потерь меди таким же способом, как и алюминий-сырец, для рафинирования.

Во время рафинирования алюминия металлические примеси, поступающие с алюминием-сырцом, накапливаются в анодном
сплаве. При достижении в анодном сплаве концентрации железа выше 6 % и кремния выше 7 % эти примеси осаждаются в виде
интерметаллического соединения меди с алюминием, железом и кремнием. Поэтому на каждом электролизере регулярно проверяют состояние загрузочных карманов и образующиеся в этих карманах осадки извлекают.

Обслуживание катодов заключается в пропитке их графитированной угольной части электролитом (в ванне-матке), покрытии боковых поверхностей защитным слоем из алюминия, регулировании токораспределения и периодической очистке от шлака. Для очистки от шлака катоды по одному извлекают из ванны. Все операции при установке катодов производят с помощью электромостового крана или специально для этого оборудованных напольных машин.

Шлам из электролита извлекают в случае нарушения нормального хода процесса рафинирования алюминия из-за присутствия
в электролите твердых неметаллических включений. Для проведения чистки удаляют весь катодный металл и, извлекая из ванны
два катода (по одному), снимают с поверхности анодного сплава шлам. При этом проверяют чистоту подины, обнаруженные наросты сбивают и извлекают. После чистки поверхность электролита покрывают на несколько часов слоем алюминия-сырца. По
окончании рафинирования электролита катодный металл полностью удаляют, при этом катоды погружают в электролит, заливают
слой алюминия высокой чистоты такой толщины, чтобы не образовались разрывы поверхностей катодного металла. Когда шлама
в ванне очень много, электролит заменяют весь, жидкую часть электролита при этом направляют в ванну-матку.

К основным нарушениям работы рафинировочных электролизеров относятся: холодный и горячий ход ванн, нарушение равномерности токовой нагрузки на катоды, загрязнение катодного металла металлическими примесями и зарастание стенок шахты ванны.

Холодный ход ванн характеризуется пониженной температурой расплава. Внешние признаки: более темная окраска катодного металла, появление на поверхности металла корок электролита толще обычных, неравномерное распределение тока по катодам. Причинами холодного хода могут быть: занижение уровня электролита, повышение уровней анодного сплава и катодного металла, а также недостаточная сила тока. Для устранения холодного хода доливают электролит или выливают катодный металл.

Внешние признаки горячего хода ванны — повышенной температуры расплава: отсутствие корок электролита на поверхности катодного металла, более светлая окраска его поверхности, заметное улетучивание электролита (ванна “дымит”), подплавление алюминиевых “рубашек” на катодах. Причины горячего хода ванны—большое междуполюсное расстояние, завышенный слой электролита или наличие большого количества шлама в нем. Для устранения горячего хода ванны уменьшают высоту слоя электролита, а при обнаружении шлама осуществляют очистку описанным выше способом.

Неравномерность токовой нагрузки на катоды обнаруживают с помощью милливольтметра, а также по сильному бурлению расплава под некоторыми катодами. Причиной неравномерности токовой нагрузки на катоды чаще всего является холодный ход ванны или недостаточно квалифицированное обслуживание катодов. Для устранения неравномерного распределения тока менее нагруженные катоды извлекают из ванны, очищают от застывшего на них электролита и устанавливают снова. В случае выгорания на боковой поверхности катодов “шеек” значительной величины катоды либо заменяют, либо укорачивают для выравнивания площади поперечного сечения.

Загрязнение катодного металла примесями железа, кремния и меди определяют по анализам катодного алюминия. Основные причины загрязнения катодного металла: разрушение футеровки шахты ванны, смешение анодного сплава с катодным металлом при небрежном обслуживании ванны, большое количество шлама в электролите, появление больших наростов у входа в канал кармана, нарушение нормального хода технологического процесса рафинирования, нарушение технологии заливки алюминия-сырца, использование недостаточно чистого электролита. В случае сильного разрушения футеровки электролизер отключают на капитальный ремонт; все другие причины, вызывающие ухудшение качества получаемого алюминия, устраняют способами, описанными выше. Для ускорения вывода ванны на нормальный режим работы после устранения причин попадания примесей удаляют весь загрязненный металл и заливают рафинированный из других электролизеров.

Зарастание стенок шахты ванны гарниссажем определяют по внешнему виду гарниссажа и по резкому изменению температурного режима в течение одного цикла производства — между двумя выливками. С увеличением времени эксплуатации боковая футеровка рафинировочного электролизера обрастает гарниссажем, который имеет максимальную толщину в области катодного металла и минимальную—в верхней части анодного сплава. Во время работы ванны от конца заливки алюминия-сырца и до начала выливки рафинированного металла толщина слоя электролита при постоянном его количестве все время снижается, напряжение на ванне падает, электролизер охлаждается. Во время
заливки алюминия-сырца происходят обратные явления—высота слоя электролита и напряжение резко возрастают, ванна перегревается. Эти явления нарушают нормальный ход ванны и ведут к усиленному шламообразованию в электролите.

Для обрубки гарниссажа из шахты ванны сливают катодный металл и электролит. Катоды погружают в анодный сплав так, чтобы их часть, защищенная алюминием, не касалась сплава. Напряжение снижают до минимальной величины. Для обрубания гарниссажа по внутреннему периметру шахты ванны применяют специальные машины. Куски гарниссажа извлекают из анодного сплава и очищают подину от осадков.

После обрубки гарниссажа в ванну заливают электролит, поверхность его покрывают слоем алюминия-сырца, в течение нескольких часов разогревают ванну и очищают электролит. Затем слой катодного алюминия сливают, проверяют чистоту электролита и поверхность его покрывают слоем рафинированного алюминия толщиной, обеспечивающей сплошное зеркало алюминия, без разрывов.

Алюминий высокой чистоты, полученный в рафинировочных электролизерах, транспортируется для дальнейшей переработки в литейное отделение электролизного цеха. Обычно такой металл отгружают потребителям в форме чушек или слитков. Для разливки алюминия высокой чистоты применяют обычное литейное оборудование—печь, литейную машину или разливочную машину конвейерного типа. Во избежание загрязнения алюминия металлическими примесями это оборудование не применяют для разливки металла технической чистоты.

Металл транспортируется к печи, как правило, в вакуумных ковшах; дополнительная переливка его в открытые литейные ковши исключается.

Описанная выше технология получения алюминия высокой чистоты и конструктивное ее оформление нашли наибольшее распространение в практике электролитического рафинирования алюминия по трехслойному методу. Известно и другое конструктивное оформление рафинировочных электролизеров, особенно катодного узла. Например, для подвода тока к катодному слою вместо графитированных электродов можно использовать так называемую систему жидкого токоподвода. В этом случае алюминиевые токоподводящие шины опускают в специально предусмотренные конструкцией электролизера каналы, соединенные со слоем расплавленного катодного металла. При определенных температурных условиях часть такого канала, в которую опускают токоподводящую шину, заполнена твердым металлом, а другая, сообщающаяся
с зоной катодного расплава, заполнена расплавленным металлом. У электролизеров такой конструкции падение напряжения в катодном узле на целый порядок ниже, чем у ванн с графитированными электродами.