Получение алюминия электролизом.

Электролиз глинозема производят в жидком криолите в электролизере (рис.1).

Рис.1. Схема электролизера для получения алюминия

Электролизер имеет катодное и анодное устройства. Катодное устройство - 1 представляет собой ванну в стальном корпусе, отфутерованную на глубину 400-600 мм изнутри угольными блоками. К угольной подине ванны при помощи стальных штырей подключены медные шины для отвода электрического тока. В процессе работы электролизера на подине ванны, служащей катодом, собирается жидкий алюминий, а под ним располагается электролит. Для нормальной работы электролизера уровень металла над подиной должен быть не менее 25-30 см, а уровень электролита 17-20 см. Анодное устройство - 2 состоит из вертикально установленного анода, нижняя часть которого погружена в электролит. К аноду подведен постоянный электрический ток, который используется в процессе электролиза, а также поддерживает температуру электролита 950…970 ⁰С за счет джоулева тепла, развиваемого током в слое электролита между анодом и катодом. Большинство современных электролизеров имеют один самообжигающийся непрерывный анод. Тело у анода на некоторой высоте заключено в кожух в виде прямоугольника из листового алюминия. Из нижней части кожуха выдвигается твердая часть анода, опускаемая в электролит, а внутри кожуха анодная масса (уголь и 28-30 % пека, который служит связующим) находится сначала в жидком состоянии, а затем самобжигается и отвердевает. Подъемный механизм - 3 перемещает анод по мере его сгорания внизу, а сверху периодически загружается сырая анодная масса.

Стальные штыри, поддерживающие анод, по мере его передвижения вниз, изменяют свое положение. Через штыри к аноду подводится электрический ток от 45000 до 155000 А (для различных ванн). Рабочее напряжение нормально работающей ванны 4, 0-4,5 В.

Электролит составляют из криолитоглиноземного расплава, в котором содержится 8…10 % глинозема. Для улучшения свойств электролита в него добавляют фтористые соединения Al, Na, Ca и хлористый Mg и Na. Наиболее низкая температура плавления электролита 935 ⁰С. При 950 ⁰С плотность электролита ниже плотности алюминия.

В ванну электролизера заливают расплавленный электролит (1500-3000 кг) на загруженные ранее фтористые и хлористые соли. При охлаждении на поверхности электролита образуется прочная корка, на которую загружают слой глинозема для предварительного подогрева. Некоторое время после пуска налаживается нормальная работа электролизера. При электролизе под влиянием налаженного электрического поля к катоду перемещаются катионы Na⁺, Al³⁺, Ca²⁺ Mg²⁺, но разряжаются на катоде, как наиболее положительные, только катионы алюминия. К аноду перемещаются анионы Al F₆^3-, F^-, Cl ^– и кислородосодержащие ионы. По мере разряжения кислородосодержащих ионов происходит окисление угля анода.

Образующийся в процессе электролиза алюминий собирается на дне ванны электролизера под слоем электролита, откуда его периодически выбирают с помощью вакуумного ковша, в котором создается разряжение 200-250 мм рт. ст. Отбор алюминия из ванны производят через 2-4 суток; на некоторых заводах практикуют ежедневный отбор алюминия.

Затем в ванну загружают свежий криолит в порошке и вводят солевые добавки. Глинозем загружают в процессе работы после разрушения корки на поверхности электролита. Для получения 1 кг алюминия расходуется 16500-18500 кВт∙ч. электроэнергии.