Как льют алюминий: репортаж сзавода

Как льют алюминий: репортаж сзавода

В электролизном цехе Хакасского алюминиевого завода (ХАЗ) Объединенной компании «РУСАЛ» я подхожу ближе, дабы заснять внутренности электролизера, где на дне ванны плещется светло-вишневый слой расплавленного металла. Добываю фотокамеру, включаю, но на экране высвечивается надпись «Включите и опять отключите камеру». Но рекомендованные действия не приносят результата: камера по большому счету перестает реагировать на что-либо.

Сопровождающие инженеры-технологи с ухмылкой наблюдают на мои попытки совладать с капризной электроникой. Сейчас я осознаю, из-за чего мне советовали не забирать в цех телефон и часы: магнитное поле, порожденное постоянными токами в много тысяч ампер, имело возможность бы необратимо вывести их из строя. В итоге удается сфотографировать лишь неспециализированный замысел: камера возвращается к судьбе только метрах в пятнадцати от массивного электролизера.

От Плиния до наших дней

Плиний Старший упоминает легенду о том, что в один раз римскому императору Тиберию преподнесли чашу из металла, похожего на серебро, но весьма легкого. Мастер, изготовивший чашу, утверждал, что металл взят из глины, и Тиберий, опасаясь, что данный металл обесценит все его серебро, приказал казнить изобретателя, дабы сохранить секрет.

Неизвестно, как правдива эта легенда, но соединения алюминия привычны людям с самых древних времен, поскольку глинозем (белая глина) — это не что иное, как оксид алюминия (Al2O3). Алюминий — третий по распространенности элемент в земной коре (по окончании кремния и кислорода). Собственный имя он получил от латинского заглавия алюминиевых солей, квасцов (двойных солей серной кислоты трех- и одновалентных металлов) — alum, — каковые в течении многих столетий употреблялись для кожи и окраски тканей.

Железный алюминий в первый раз взял в 1825 году датский физик Ганс Христиан Эрстед восстановлением из хлорида алюминия посредством смеси калия. Двумя годами позднее германский химик Фридрих Вёлер применял для данной цели железный калий. А во второй половине 40-ых годов XIX века Анри Сент-Клер Девилль доработал способ Вёлера с применением железного натрия, что разрешило приобретать хоть и малые, но уже не микроскопические количества металла.

Однако алюминий еще продолжительное время оставался весьма редким и дорогим металлом. Об этом свидетельствует тот факт, что на одном из приемов, организованных французским императором Наполеоном III, достаток монархии символизировали алюминиевые столовые устройства почётных гостей и хозяев, а остальные гости обходились «простыми» — вилками — и золотыми ложками.

Современная эра алюминия наступила во второй половине 80-ых годов девятнадцатого века, в то время, когда американец Чарльз Мартин француз и Холл Поль Эру независимо друг от друга создали способ производства этого металла посредством электролиза. В качестве электролита употреблялся раствор оксида алюминия (глинозема) в расплаве криолита (фториды алюминия и натрия, Na3AlF6) при температуре около 950 °C. Процесс Холла-Эру образовывает базу современного метода получения алюминия и сейчас.

Действительно, технологии стали намного идеальнее.

Концентрированное электричество

В электролизном цехе алюминиевого завода установлены много электролизеров. Любой из них устроен достаточно легко: металлическая ванна, воображающая собой катод (отрицательный электрод), наполнена расплавом криолита с температурой около 950 °C, в котором растворен оксид алюминия (глинозем). В расплав погружается анод (хороший электрод).

Через электролизер пропускается ток, на аноде выделяется кислород, на катоде — алюминий, что в жидком виде покрывает дно ванны (температура его плавления 660°С). «Отечественные инженеры шутят, что алюминий — это концентрированное электричество, — растолковывает Виктор Манн, технический директор ОК «РУСАЛ». — Получение килограмма металла требует расхода 13 кВт•ч электричества. Когда-то данный показатель был значительно выше, но по мере совершенствования разработок его удалось снизить — и я надеюсь, что удастся снизить еще. Фактически, это одно из направлений отечественных разработок — добиться понижения электропотребления за счет оптимизации конструкции анодов, электролизера, уменьшения рассеивания тепла и других факторов».

Применение электричества порождает и еще одну проблему. В электролизном цехе много электролизеров соединены последовательно, падение напряжения на каждом совсем маленькое — всего около 4 В. А вот ток измеряется в сотнях килоампер (в частности, на ХАЗе это 320 кА, а в более новых электролизерах — 550 кА).

Такие токи, текущие по рядом расположенным проводникам, приводят к появлению силы Ампера, в следствии чего на токоподводы начинают функционировать силы, исчисляющиеся тысячами и сотнями килограмм-сил. «Дабы минимизировать действие силы Ампера, конструкцию токоподводов и самих электродов приходится рассчитывать посредством компьютерных моделей, — говорит Виктор Манн. — Конфигурация получается сложная — необходимо распределить токоподводы к анодам по длине и высоте, учесть размеры электрических шин длиной в десятки метров, дабы магнитные поля не деформировали всю конструкцию. Силы воздействуют и на расплавленный алюминий, что слоем толщиной 20−50 см покрывает дно ванны и также есть проводником электрического тока».

катоды и Аноды

В ходе производства алюминия расходуется не только электричество, но и углеродные аноды. Потому, что материал анода обязан противостоять электрической эрозии (растворению в электролите и в алюминии), на данный момент в этом качестве употребляется углерод. Но под действием выделяющегося кислорода он достаточно скоро выгорает с образованием угарного и углекислого газов: для получения одной тонны алюминия расходуется приблизительно полтонны углеродных анодов.

Существует два главных типа углеродных анодов. Постоянные самообжигающиеся аноды Содерберга являются брикетами из коксосмоляной пасты, каковые загружаются в металлический кожух электрода сверху. По мере выгорания нижней части брикеты опускаются вниз и обжигаются перед тем, как достигают ванны с расплавом. В брикеты входят разные связующие смолы, каковые вносят собственную долю в продукты сгорания.

Второй тип — заблаговременно обожженные аноды — дает меньше выбросов в ходе электролиза. Они формируются из углерода с разными связующими и обжигаются в особых печах. Готовый электрод крепится в анододержателе и опускается в расплав.

По мере выгорания анод заменяют, а «огарки» перерабатывают, изготавливая из остатков новые аноды.

Инертные аноды

Расход электродов порождает множество неприятностей. Кроме того, что замена электродов усложняет процесс и повышает цена алюминия, это еще ведет к важным выбросам углекислого и угарного газов. По словам Виктора Манна, инертный анод, что бы не расходовался в ходе электролиза, не выгорал, не растворялся в расплавленном криолите и не загрязнял бы полученный алюминий, — пожалуй, основная мечта разработчиков электролизного оборудования.

Это смогут быть керамические аноды на базе оксидов разных металлов (железа, никеля, меди и др.), всецело инертные по отношению к алюминию и электролиту, но сложно свариваемые (исходя из этого к ним достаточно сложно сделать токоподвод). Второй подход — особые железные сплавы (железо, медь и др.), они более технологичны, но смогут реагировать с алюминием, внося в него долю примесей. «Мы уже достаточно близки к этому, на данный момент такие аноды проходят опробования, и надеюсь, что в течение нескольких ближайших лет начнут внедряться в производство на фабриках «РУСАЛ», — говорит Виктор Манн. — Инертные аноды не требуют замены уже имеющихся электролизеров с горизонтальными анодами.

Но в случае если сказать о будущем и конструкции, которая намерено запланирована на инертные аноды, то возможно ожидать перехода к второй схеме — комплекту из множества чередующихся вертикальных катодов и анодов. Такая конфигурация разрешит значительно увеличить эффективность и производительность процесса электролиза. Не смотря на то, что, само собой разумеется, в том месте потребуются новые ответа.

Скажем, в простой схеме с горизонтальными анодами регулировка зазора между электродами происходит легко за счет опускания анода. Регулировать же зазор между вертикальными электродами конструктивно сложнее. Помимо этого, усложняется и утилизация тепла. Но преимущества, само собой разумеется, того стоят.

Авиационная, автомобильная, строительная и электротехническая индустрия требуют все больше алюминиевых сплавов, так что за этим металлом будущее».

От сырья до чушки

Главное сырье для производства алюминия — глинозем, порошкообразный оксид алюминия. Его додают в электролизер по мере расходования, содержание глинозема в расплаве (в большинстве случаев 3−5%) контролируется по напряжению между электродами.

I. Для получения 1 т алюминия требуется приблизительно 2 т глинозема. А перед тем, как попасть в электролизер, глинозем делает еще одну серьёзную функцию — является абсорбентом в газоуловителях, поглощая газы, образующиеся в ходе электролиза.

II. Ветхие разработки производства алюминия предусматривали маленькой расход криолита, угольная пыль приводила к образованию пены (шлака), что иногда необходимо было удалять. Новейшие технологии в этом отношении значительно более чистые — криолит не только не расходуется, но кроме того нарабатывается за счет примесей натрия в глиноземе, что в ходе электролиза реагирует с образующимся фтором.

III. Алюминий опускается на дно электролизера, а после этого вытягивается вакуумным ковшом. Из ковша он сливается в миксер, где готовятся необходимые сплавы.

IV. Главные примеси в взятом алюминии — это кремний и железо (в большинстве случаев менее 1%). Чем их меньше, тем более высоким считается сорт металла. Источники примесей — это аноды, ванна, инструменты, токоподводы и другие элементы электролизера.

Производство алюминия

Главный процесс

Главное положение в ходе производства алюминия занимает электролиз. Много электролизеров, соединенных последовательно, применяют электрический ток для разложения раствора глинозема (оксида алюминия) в расплавленном криолите на кислород и алюминий. Наряду с этим расходуется не только сырье (оксид алюминия), но и угольные аноды, каковые выгорают в образующемся кислороде с выделением громадного количества оксидов углерода.

С переходом на инертные аноды процесс электролиза станет намного более чистым: потому, что они не содержат углерода, при электролизе будет выделяться лишь кислород. Один электролизер производит приблизительно столько же кислорода, сколько 70 га леса.

Тёплый металл

Продукт электролиза — расплавленный алюминий, что выкачивается вакуумным ковшом и после этого транспортируется в литейный цех. Для производства высокотехнологичных сплавов нужен максимально чистый алюминий, так что чем ниже часть примесей, тем выше сорт алюминия. В большинстве случаев часть примесей не превышает 1%, главные составляющие — это кремний и железо, попадающие в металл из глинозема, другого оборудования и деталей электролизёров и инструментов. В литейном цехе расплавленный металл заливается в миксер, где происходит добавление легирующих примесей и приготовление нужных сплавов, разлив

Статья «Элемент № 13» размещена в издании «Популярная механика» (№150, апрель 2015).

Производство Алюминия. Металлы — АЛЮМИНИЙ


Темы которые будут Вам интересны:

Читайте также: