2 Производство

Электролизное производство. Для производства алюминия завод использует технологию Содерберга. Электролиз криолитоглиноземных расплавов является основным способом получения алюминия. Основное технологическое оборудование – электролизер. Электролизер представляет собой неглубокую шахту, заполненную электролитом, в которую опущен анод из углеродистого материала (рисунок 1). Специфика электролизного производства в разнообразии типов установленных здесь электролизеров – с боковым и верхним токоподводом. В настоящий момент на заводе реализуется проект по экспериментальному внедрению технологии сухого анода.

1 – электролит; 2 – глинозем; 3 – хвостовик; 4 – шина; 5 – штырь; 6 – анодной кожух; 7 – анодная масса; 8 – скоксованная часть; 9 – корка; 10 – настыль; 11 – бортовой блок; 12 – подовая масса; 13 – блюмс

Рисунок 1- Электролизер с верхним подводом тока

Электролиз протекает в тонком слое электролита между поверхностью металла алюминия (Al), служащего катодом, и поверхностью угольного анода. На поверхности электролита имеется твёрдая корка, на которую насыпают глинозём (Al₂O₃). Его время от времени погружают в электролит. Расстояние между электродами называется межполюсным (МПР), оно должно быть 5см.

Криолит, находящийся в электролите диссоциирует (разлагается) на ионы: Na₃AlF₆=3Na⁺+AlF₆ под действием электрического тока. Фтористый алюминий частично распадается дальше: AlF₆^3-=Al³⁺+6F. Глинозём растворённый в электролите распадается на ионы алюминия и кислорода: 2Al₂O₃=Al³⁺+3AlO₂^-. В результате этих реакций в электролите присутствуют ионы алюминия (Al) и натрия (Na). При прохождении тока они устремляются к катоду, но из них ион алюминия легче присоединяет к себе электроны от катода и обладает менее отрицательным потенциалом выделения, чем ион натрия. По этому катодный процесс заключается в разряде ионов алюминия с выделением металлического алюминия: Al³⁺+3e=Al. Отрицательные ионы, присутствующие в расплаве при наличии тока движутся к аноду, но разрежаются именно те, которые легче отдают электроны. Продуктами электролиза являются алюминий и кислород. Поэтому в ванну для поддерживания электролиза необходимо добавлять глинозём: на одну тону алюминия расходуется одна тонна восемьсот девяносто кг. глинозёма.

Литейное производство. Одним из ответственных видов продукции алюминиевых заводов являются слитки и чушки для прокатки и волочения алюминиевых изделий. К слиткам предъявляют повышенные требования по чистоте алюминия от металлических примесей, неметаллических включений и газов, а также по структуре слитка.

Разливка мелкоформатной алюминиевой чушки производится в изложницы на разливочной машине конвейерного типа. Металл в изложницы на конвейере заливают либо из литейных ковшей, либо из печей - миксеров (рисунок2).

В зависимости от назначения возможна отливка слитков из алюминия и его сплавов различной формы. Слитки отливают полунепрерывным способом на специальных литейных машинах. Жидкий металл поступает сверху в короткий вертикальный охлаждаемый водой кристаллизатор, а снизу выходит закристаллизовавшийся слиток. Таким образом, можно получать слитки практически любой длины и веса.

Литейная машина представляет собой колодец с водой, в котором установлен перемещаемый стол с поддоном, механизм перемещения стола и подвижная металлоконструкция, в которой закреплены кристаллизаторы. Металл из летки миксера подается по съемному желобу на литейную чашу, из которой затем поступает в кристаллизаторы. Слитки из колодца извлекают краном; после осмотра и устранения незначительных дефектов их маркируют и отправляют на склад готовой продукции.

1 – теплоизоляция; 2 – асбест; 3 – диатомитовый кирпич; 4 – шамот.

Рисунок 2- Эскиз печи-миксера (емкость 8 т) установки для полунепрерывного литья слитков

Товарная продукция из алюминиевых литейных сплавов различных марок в виде чушек массой до 20 кг, в виде Т-образных чушек массой 750 и 300 кг, а также в виде цилиндрических слитков различной длины и диаметра должна соответствовать ГОСТ 1583, ГОСТ 11070, ТУ 1712-002-58806883, ГОСТ 23855, а так же спецификациям или ТУ согласованным с потребителями.

На верхней поверхности каждой малогабаритной чушки или на литниковую поверхность каждой Т-образной чушки металлическим клеймом должны быть нанесен идентификационный номер, который состоит: наименование бренда: RUSAL N; номер миксера; номер бригады; номер миксер - плавки; номер пакета.

Чушки из сплава массой до 20 кг формируют в пакеты массой не более 1,5 тонн с учетом общих требований ГОСТ 21399, ГОСТ 24597. Пакеты должны состоять из 69 чушек одной марки алюминия. По согласованию с потребителем допускается другое количество чушек в пакете. На верхнюю поверхность каждого пакета из чушек массой до 20 кг или на литниковую поверхность каждой Т-образной чушки наклеивается транспортная бирка в которой указывается: номер контракта (договора); наименование предприятия изготовителя; получатель продукции; вид продукции; марка сплава; номер плавки и номер места; масса каждого пакета (нетто/брутто).

Таблица 1 - Химический состав товарного алюминия, % (масс.)

Марки	Al	Fe	Si	Cu	Zn	Ti	Примеси, каждая	Сумма примесей
A8	99,80	0,12	0,10	0,01	0,04	0,01	0,02	0,20
A7	99,70	0,16	0,15	0,01	0,04	0,04	0,02	0,30
A7Э	99,70	0,20	0,10	0,01	0,03	0,04	0,03	0,30
A7E	99,70	0,20*	0,08	0,01	0,04	0,01**	0,02	0,30
A6	99,60	0,25	0,18	0,01	0,06	0,02	0,03	0,40
A5	99,50	0,30	0,25	0,02	0,06	0,02	0,03	0,50
A5E	99,50	0,35*	0,10	0,02	0,04	0,015**	0,02	0,50
A0	99,00	0,50	0,50	0,02	0,06	0,02	0,03	1,00

Примечание: * - Fe - не менее 0,18%; ** - для суммы Ti + V + Mn + Cr.

Подавляющее количество алюминия используется в виде сплавов, которые обладают высокими механическими свойствами и в зависимости от способа их применения, делятся на две большие группы – деформируемые сплавы (около 80% от общего объема производства сплавов) и литейные сплавы.

Производство анодной массы. Анодная масса представляет собой смесь различных углеродистых материалов. Под воздействием выделяющегося в ванне тепла масса спекается в сплошной блок, который и является анодом. Рецепт анодной массы подбирается таким образом, чтобы анод получался монолитным, механически прочным, без трещин, обладал хорошей электропроводностью, малой пористостью и окисляемостью.

Для изготовления анодной массы применяют твердые материалы и связующие вещества. Твердые материалы представляют собой основу будущего анода, а связывающие, коксуясь при высокой температуре, связывают частицы твердых материалов в монолитный блок. В качестве твердых материалов применяют нефтяной и пековый коксы, а роль связывающего вещества играет каменноугольный пек.

Требования к сырью: наименьшее содержание золы – это основное требование, так как основные компоненты золы – оксид железа и оксид кремния – по мере расходования анода будут попадать в ванну, и загрязнять получаемый металл; исходные материалы не должны содержать большого количества серы, так как выделяющиеся в процессе коксования сернистые газы ухудшают условия труда в цехе; материалы, используемые в качестве сырья, должны обладать максимально возможными теплопроводностью и электропроводностью; стойкость против разъедания криолито–глиноземным расплавом; устойчивость к воздействию высокой температуры; достаточная механическая прочность.

Технология производства электродной продукции достаточна, сложна и многоступенчата. Поступающие материалы подвергают дроблению до кусков размером не более 70 мм и направляют на прокалку в прокалочную печь. Основная задача предварительного прокаливания материалов заключается в достижении возможно большого постоянства их структурных и физико–химических свойств. При поступлении прокаленного кокса его подвергают сушке. Затем кокс дробят на дробилках до частиц размером не более 6-8 мм, а часть измельчают в шаровых мельницах. Раздробленный кокс классифицируют, то есть рассеивают на несколько фракций, и направляют в сортовые бункеры. В отдельный бункер помещают пылевую фракцию, полученную в шаровой мельнице. Затем автоматическими дозаторами собирают шихту, перемешивают, подогревают и отправляют в смесители. Поступающий каменноугольный пек, который используют как связующее вещество при производстве электродной продукции, обезвоживают, нагревают, дозируют и сливают в смеситель. Дозировка – одна из самых ответственных операций, качество массы сильно зависит от крупности помола материалов. Всегда составляют смесь с частицами различной крупности. Затем подогретую коксовую шихту смешивают с пеком до образования однородной массы. Из смесителя готовая анодная масса выдавливается через фильеры в виде брикетов различной формы.

Для прокаливания углеродистых материалов применяют печи различных конструкций; чаще всего – трубчатые вращающиеся печи. Такая печь представляет собой стальной цилиндр, изнутри выложенный огнеупорным кирпичом. При помощи электродвигателя цилиндр печи вращается со скоростью 1-2 оборота в минуту. Прокаливаемый материал загружается в верхний конец печного барабана и при вращении печи медленно продвигается к нижнему его концу, где расположены форсунки, отапливаемые газом или мазутом. После выхода из печного барабана прокаленные материалы через специальное устройство попадают в холодильник, где их температура понижается. Последний представляет собой стальной барабан, расположенный под печью. Он имеет наклон и приводится во вращение электродвигателем. Холодильник снаружи обильно орошают водой.

Производство анодной массы осуществляется на участке анодной массы УПАМ-2 расположенной на НКАЗ-2.

Участок производства анодной массы № 2 (УПАМ-2) введен в эксплуатацию в 1962 году с производственной площадью 14250 кв.м., куда входят склад пека, кокса и мазутохранилище. Производство анодной массы 101 тыс. тонн в год, в основном для электролизеров электролизного производства № 2.

Участок производства анодной массы № 2 состоит:

• отделение предварительного дробления;

• прокалочного отделения;

• размольно-смесильное отделения;

• смесильно-дозировочного отделения;

Расход кокса и пека на производство 1 тонны анодной массы составляют соответственно 711,2-744,5 кг, 270-308 кг. Технологическая схема производства анодной массы представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Технологическая схема производства анодной массы

Производство вторичного криолита. В процессе электролиза образуется большое количество различных газов и пыли, которые необходимо улавливать, так как они негативно влияют на окружающую среду.

Применяют два способа очистки уловленных отходящих от электролизеров газов – мокрая и сухая газоочистка.

Сухая газоочистка. Основанна на адсорбции HF глиноземом. Адсорбционная способность глинозема, т.е. его способность улавливать на своей поверхности фтористый водород, зависит от содержания активной модификации глинозема, способной его адсорбировать, и от его удельной поверхности.

Конечным продуктом при сухой газоочистке является фторированный глинозем, возвращаемый в электролизеры без какой-либо переработки. Таким образом, сухая газоочистка – практически безотходная технология.

Фторированный глинозем помимо HF содержит уловленную электролизную пыль, куда входят твердые фториды, углерод и др., которые, попадая в электролизер, снижают качество алюминия.

Недостатки сухого способа: вторичный глинозем очищает отходящие газы не только от газообразного фтора, но и от пылевидных частиц, которые, попадая в ванну, снижают сортность алюминия; этот способ не способен очистить газ от диоксида серы, поэтому, в случае необходимости применения такой очистки, приходится за установкой сухой очистки газов устанавливать мокрый скуббер для очистки газов от серы.

В процессе электролиза алюминия в электролизерах с самообжигающимся анодом образуется угольная пена, которая периодически снимается с поверхности электролита и направляется на переработку.

Мокрая газоочистка. При мокрой газоочистке уловленные твердые вещества, куда входят углерод, глинозем, все виды фторидов, проходя через скуббер, смачиваются раствором и в виде осадка направляются на шламонакопитель.

При использовании мокрой очистки отходящих газов применяют два вида растворов, которые, вступая в соединения с фторсодержащими газами, образуют твердые соединения.

Мокрая газоочистка обладает высокой эффективностью улавливания газообразных примесей, но имеет ряд существенных недостатков: необходимость подготовки и оборота растворов, наличие шламовых полей, коррозия и эрозия аппаратуры и другие. Принципиальна схема производства растворов и варки регенерационного криолита приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Принципиальная технологическая схема регенерации криолита из растворов газоочистки

Фторосодержащий раствор из скрубберов газоочистки со взвешенными в нем частицами шлама поступает в отстойники отделения регенерации для осветления.

Осветление раствора осуществляется в сгустителе, стенки которого теплоизолированы. Шлам фильтруется на барабанном фильтре. Процесс выделения криолита фторсодержащего раствора называется варкой, которую можно вести как в периодическом, так и в непрерывном режимах.

Варка криолита ведется в теплоизолированных обогреваемых паром реакторах с мешалками. В эти реакторы с нагретым фторсодержащим раствором подается строго дозированное количество алюминатного раствора.