3. Теоретические основы производства алюминия

Для производства алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава применяются агрегаты, называемые электролизерами или электролизными ваннами. За всю историю развития алюминиевой промышленности по мере повышения силы тока, более глубокого понимания процесса, применение новых материалов и т.д. конструкция электролизеров претерпела существенные изменения, но принципиальнее их устройство не изменилось.

В процессе Холла-Эру, названного так в честь его изобретателей, алюминий про­изводится путем электролитического восстановления глинозема (Аl2О3), растворенного в расплавленном криолите (Na₃AlF₆). Металл выделяется на катоде, а кислород выделяется на углеродистом аноде, реагирует с ним и выделяется в виде диокси­да углерода (СО2). Таким образом, конечная реакция получения алю­миния может быть записана как:

2Al2O3 + 3C (тв) = 4Al (ж) + 3CO2 (газ)

Несмотря на то, что механизм электролитического процесса еще до конца не изучен, большинство специалистов соглашается с тем, что расплавленный криолит полностью диссоциирует на ионы натрия (Na+) и ионы гексафторида алюминия (AlF6). Последний, в свою очередь, частично диссоциирует на ионы тетрафторида алюминия (AIF4 ˉ) и ионы фтора (F ˉ). Ионы натрия переносят через электролит большую часть тока и разряжаются, на катоде, а натрий выделяется вместе с алюми­нием. Следовательно, катодная реакция, возможно, происходит с вы­делением ионов AIF6 и AIF4 ˉ

Анод­ный газ также содержит фтор, выделяющийся из расплава, который проходит через газоочистную систему и выбрасывается в атмосферу. Некоторые фториды в малых лимитированных количествах добавляют в электролит для снижения температуры расплава и увеличения эффективности электролитического процесса. Фторид алюминия (AlF3) является наиболее распространенной добавкой, и поэтому теперь практически все электролизеры работают на электролите, в котором фторид алюминия превышает его содержание в криолите. Расплавы всегда содержат некоторое количество фторида кальция (CaF2), который образуется в основном из оксида кальция (СаО), содержащегося глиноземе, но иногда фторид кальция (CaF2) специально добавляют в электролит[6].

Жидкий алю­миний через каждые 1-2 суток с помощью сифона извлекают из элек­тролизера в футерованный ковш, взвешивают и направляют его в ли­тейное отделение.

Электрохимический эквивалент – это число, показывающее, сколько граммов вещества выделяется на электроде (катоде или аноде) при протекании электродной реакции в расчете на единицу количества электричества (кулон или ампер ∙ час).

Из размерности электрохимического эквивалента следует, что он определяет количество вещества Р_т, получающегося при пропускании через электрод единицы количества электричества. Чтобы рассчитать массу для случая произвольного количества электричества Q, надо электрохимический эквивалент К умножить на это количество электричества. Тогда получим

Р_т = K∙Q = K∙I∙t

где I – сила тока; t – время. На практике масса металла Р_п отличается от теоретической рассчитанной. Это отношение называется выходом по току:

η = Р_п/Р_т

При промышленном электролизе выход по току меньше единицы, и практически вся масса с учетом η находится по уравнению

Р_п = η∙К∙I∙t.

В промышленном электролизе выход по току зависит от множества факторов и составляет от 0,88 до 0,96.