Алюминиевый электролитический ячейка

Типы алюминиевых электролитических ванн

Алюминиевая электролитическая ванна, также известная как ванна Холла-Эру, является основным промышленным методом производства алюминия. Этот крупногабаритный промышленный сосуд играет решающую роль в получении алюминиевого металла из его руды, бокситов, посредством электролитического восстановления, которое требует огромного тепла. Существуют два основных типа алюминиевых электролитических ванн: традиционные и современные. Современные типы имеют несколько вариантов, которые обсуждаются ниже:

• Традиционная алюминиевая электролитическая ванна: Эта ванна представляет собой массивный стальной контейнер, который образует корпус ванны. Сталь, используемая в ней, является либо низкоуглеродистой мягкой сталью, либо низколегированной. Подкладка ванны служит катодом ванны и изготовлена из высококачественных углеродных и глиняных сплавов. Традиционная ванна имеет погружную конструкцию, что означает, что аноды погружены в расплавленный электролит и металл, что улучшает теплопередачу внутри ванны, а также сокращает количество электрического тока, необходимого для производства алюминия.
• Современные алюминиевые электролитические ванны: Современные алюминиевые электролитические ванны имеют температуру около 960 °C - 1020 °C. Обычно в этих помещениях установлено около 500 ванн, соединенных параллельно, которые потребляют до 13 500 МВтч/год. Смесь криолита (Na3AlF6) и фторида алюминия (AlF3) используется для растворения и понижения температуры плавления алюминиевой руды. Оксид алюминия служит как электролитом, так и растворителем. Для производства алюминия по процессу Холла-Эру используются большие ванны для алюминиевого восстановления. Эта современная конструкция ванны имеет несколько вариантов:

• Ванны Сёдерберга: В отличие от предварительно обожженных анодов, где аноды создаются на отдельных предприятиях, а затем электрически подключаются к ваннам, в ваннах Сёдерберга используются самопечные аноды. Нагревательные элементы, расположенные вокруг стенок ванны, медленно плавят смесь нефтяного пека до тех пор, пока она не превратится в углеродную пасту, которая непосредственно подается на анод во время работы ванны. Ванны Сёдерберга обычно работают только шесть месяцев, прежде чем их необходимо полностью заменить, поскольку их аноды постоянно потребляют энергию.
• Ванны Pioneer получили такое название, потому что они были впервые изобретены компанией Alcoa в 1959 году. Alcoa стала пионером технологии создания долговечных ванн, где катоды служили десять лет, а предварительно обожженные аноды можно было легко заменить без остановки производства. Эти ванны Pioneer более эффективны, потребляя меньше энергии на тонну алюминия, чем более старые методы, такие как ванны Сёдерберга, где нефть быстро рассеивалась обратно в окружающую среду вместо того, чтобы питать анод.
• Ванны с дегтепечной подкладкой: В отличие от ванн Сёдерберга, которые полагаются на свойства теплораспределения нефтяного пека по всей ванне, в ваннах с дегтепечной подкладкой тепло передается преимущественно через углеродные электроды в нижней части каждой ванны, при более высоких рабочих температурах, чем у их аналогов. Это приводит к повышению эффективности, снижению энергопотребления во время производства; однако их анодную систему необходимо менять каждые 18 месяцев, в отличие от более долговечных вариантов с дегтепечной подкладкой. Ванны с дегтепечной подкладкой специально сжигают сверхкритическую жидкость Krytox® и используют технологию передовых электролитических ванн, которая имеет 90% эффективность в потреблении энергии ванн с дегтепечной подкладкой.

Это приводит к повышению эффективности, снижению энергопотребления во время производства; однако их анодную систему необходимо менять каждые 18 месяцев, в отличие от более долговечных вариантов с дегтепечной подкладкой. Ванны с дегтепечной подкладкой специально сжигают сверхкритическую жидкость Krytox® и используют технологию передовых электролитических ванн, которая имеет 90% эффективность в потреблении энергии ванн с дегтепечной подкладкой. Это означает, что до 85% углерода, образующегося в этих ваннах, необходимо улавливать и направлять в трубопроводную систему для использования в других отраслях промышленности, обычно на нефтеперерабатывающих заводах, в результате газового сжигания органических веществ под высоким давлением и температурой непосредственно перед поступлением в энергопровод. Кроме того, что требуется менее частая замена ванн, чем при других методах, более 95% электрического тока непосредственно поступает в электролит в соответствии с законом Фарадея, что приводит к образованию металлического алюминия в ваннах, работающих более 98% времени.

• Современные алюминиевые электролитические ванны имеют температуру около 960 °C - 1020 °C. Обычно в этих помещениях установлено около 500 ванн, соединенных параллельно, которые потребляют до 13 500 МВтч/год. Смесь криолита (Na3AlF6) и фторида алюминия (AlF3) используется для растворения и понижения температуры плавления алюминиевой руды. Оксид алюминия служит как электролитом, так и растворителем. Для производства алюминия по процессу Холла-Эру используются большие ванны для алюминиевого восстановления. Эта современная конструкция ванны имеет несколько вариантов:
• Ванны Сёдерберга: В отличие от предварительно обожженных анодов, где аноды создаются на отдельных предприятиях, а затем электрически подключаются к ваннам, в ваннах Сёдерберга используются самопечные аноды. Нагревательные элементы, расположенные вокруг стенок ванны, медленно плавят смесь нефтяного пека до тех пор, пока она не превратится в углеродную пасту, которая непосредственно подается на анод во время работы ванны. Ванны Сёдерберга обычно работают только шесть месяцев, прежде чем их необходимо полностью заменить, поскольку их аноды постоянно потребляют энергию.
• Ванны Pioneer получили такое название, потому что они были впервые изобретены компанией Alcoa в 1959 году. Alcoa стала пионером технологии создания долговечных ванн, где катоды служили десять лет, а предварительно обожженные аноды можно было легко заменить без остановки производства. Эти ванны Pioneer более эффективны, потребляя меньше энергии на тонну алюминия, чем более старые методы, такие как старые Сёдерберги, где нефть быстро рассеивалась обратно в окружающую среду вместо того, чтобы питать анод.

Спецификация и техническое обслуживание

Спецификация алюминиевой ванны для восстановления может варьироваться в зависимости от ее типа, конструкции и производственной мощности. Ниже приведен общий обзор, описывающий некоторые ключевые характеристики алюминиевых ванн для восстановления:

• Конструкция и размеры электродов:

  Ванна состоит из угольного анода и катода, изготовленного из углеродного или графитированного углеродного материала. Катоды могут быть облицованы потребляемыми катодами из твердых материалов или материалов жидкой подкладки. Аноды заменяются периодически во время работы ванны.

• Состав электролита:

  Электролит, используемый в алюминиевой ванне для восстановления, в основном состоит из фторида натрия и алюминия и фторида алюминия с различными концентрациями от 10 до 50 процентов. Плотность и температура плавления электролита должны поддерживаться на заданном уровне, чтобы обеспечить бесперебойное производство алюминия.

• Токовый выход и мощность:

  Алюминиевая электролитическая ванна обычно работает с токовым выходом в диапазоне от 85 до 95 процентов. Это означает, что количество произведенного алюминия непосредственно связано с количеством использованной электроэнергии.

• Регулирование температуры:

  Алюминиевые электролитические ванны должны поддерживаться в определенном температурном диапазоне (примерно от 960 до 1025 градусов Цельсия), чтобы электролит оставался расплавленным. Это также важно для оптимального производства алюминия. В ваннах используются системы охлаждения и обогрева для поддержания этих температурных диапазонов.

• Напряжение:

  Рабочее напряжение алюминиевой электролитической ванны определяется такими факторами, как материалы электродов, конструкция ванны и состав электролита. Это напряжение обычно находится в диапазоне от 3,5 до 6 вольт для традиционных ванн и до 2,5-3 вольт для новейших технологий, таких как технология предварительно обожженных анодов и технологии такси.

• Срок службы ванны:

  В зависимости от типа ванны и условий эксплуатации срок службы алюминиевой ванны для восстановления может составлять от нескольких лет до более чем десятилетия. Например, традиционные предварительно обожженные ванны могут прослужить от 5 до 15 лет, в то время как новые технологии, такие как самоиндуцированные и погруженные методы газификации, могут иметь срок службы более десяти лет.

Техническое обслуживание ванн

Алюминиевая электролитическая ванна требует надлежащего технического обслуживания, чтобы обеспечить бесперебойную работу и поддерживать производство алюминия. Ниже приведены некоторые общие советы по техническому обслуживанию:

• Регулярный мониторинг:

  Их следует регулярно тщательно контролировать, включая температуру, напряжение и плотность тока. Следует также контролировать свойства электролита, в том числе его плотность, температуру и состав. Это гарантирует, что ванна работает в рекомендуемых параметрах.

• Регулярные осмотры:

  Алюминиевые ванны должны регулярно осматриваться на наличие признаков износа, повреждений или утечек. Например, следует проверять наличие коррозии, трещин или разрушения материалов электродов, а также утечек в подкладке ванны, которые могут привести к потере электролита.

• Калибровка систем мониторинга:

  Системы мониторинга и контрольное оборудование, используемые для ванн, должны периодически калиброваться. Это гарантирует точность и надежность измерений. В результате рабочие условия поддерживаются, а свойства электролита оптимизируются.

Сценарии

Основное применение алюминиевой электролитической ванны - в производстве алюминия. Такие ванны в основном используются в процессе Холла-Эру для получения алюминиевого металла из глинозема. В этом случае алюминиевая ванна действует как электролитическая ванна в плавильной печи или печи.

Кроме того, алюминиевые электролитические ванны имеют широкий спектр применения в различных отраслях промышленности. Ниже приведены некоторые отрасли, в которых используются алюминиевые электролитические ванны:

• Производство и плавка алюминия

  Основное применение алюминиевых электролитических ванн - производство и плавка алюминия. Они в основном используются в процессе Холла-Эру, который является наиболее распространенным методом производства алюминия из глинозема. В этом случае алюминиевая электролитическая ванна функционирует как электролитическая ванна в плавильной печи или печи. Именно в этих электролитических ваннах глинозем восстанавливается с образованием алюминиевого металла.

• Вторичное производство алюминия

  Электролитические ванны для производства алюминия также используются при вторичном производстве алюминия. В ходе этого процесса алюминиевый лом или алюминиевые стружки плавятся, чтобы получить новые алюминиевые сплавы. Такие сплавы в основном используются в таких отраслях, как автомобилестроение, строительство и аэрокосмическая промышленность. Переработка алюминия требует электролитических ванн с более низким энергопотреблением по сравнению с традиционными методами восстановления. Это делает процесс более эффективным и устойчивым.

• Производство алюминиевых сплавов

  При производстве алюминиевых сплавов могут использоваться алюминиевые электролитические ванны. Это возможно только в тех случаях, когда добавляются специальные легирующие элементы для улучшения определенных свойств, таких как прочность, коррозионная стойкость или электропроводность. Что еще интереснее, добавление легирующих элементов увеличивает срок службы сплавов. К распространенным легирующим элементам, которые могут быть добавлены, относятся медь, магний, цинк и кремний.

• Литейные цеха

  Литейные цеха также используют алюминиевые электролитические ванны при производстве цветных металлов. Такие ванны используются при литье алюминия в различные формы и виды в соответствии с требуемыми спецификациями. Например, алюминиевые электролитические ванны используются при производстве таких востребованных алюминиевых изделий, как колеса, детали двигателя или конструкционные элементы.

• Управление углеродом

  Некоторые алюминиевые электролитические ванны используются в управлении углеродом. Такие ванны используются для окисления углерода, таким образом, способствуя снижению выбросов парниковых газов при производстве алюминия. С положительной стороны, роль углерода в производстве алюминия можно контролировать и регулировать, тем самым повышая общую экологичность производственного процесса.

Как выбрать алюминиевые электролитические ванны

Оптовые покупатели и поставщики алюминиевых ванн должны начать с определения области применения. Алюминиевая электролитическая ванна работает по-разному в зависимости от цели, для которой она предназначена. По этой причине покупателям рекомендуется внимательно изучить предполагаемое применение (будь то плавка алюминия или другие цели) перед выбором определенного типа ванны.

Во-первых, эксплуатационные параметры ванны должны соответствовать конкретным требованиям приложения. Кроме того, важно проанализировать эффективность ванны, производительность и способность удовлетворять спрос.

После того, как цель алюминиевой ванны будет установлена, покупатели теперь могут выбрать конструкцию и конфигурацию, которая наилучшим образом подходит для их операций. Доступные варианты включают боковые колодцы, центральные колодцы и другие конструкции. Выберите ту, которая вписывается в существующую производственную установку.

Материалы, используемые при изготовлении алюминиевой ванны, следует тщательно изучить. Некачественные материалы могут привести к высоким затратам на техническое обслуживание или частым заменам ванн. Ищите материалы, совместимые с электролитом и алюминиевым сплавом, который будет обрабатываться.

Учтите способность ванны производить алюминий в требуемом масштабе. Скорость производства и площадь поверхности электродов являются двумя основными факторами, определяющими производительность электролитической алюминиевой ванны. Выбранный размер должен быть способен удовлетворить спрос.

Обратите внимание на энергоэффективность ванны. Неэффективное использование энергии может привести к чрезмерно завышенным эксплуатационным расходам, которые могут негативно сказаться на прибыли бизнеса. Выбирайте ванны, разработанные для оптимального энергопотребления.

Наконец, необходимо учитывать бюджет и потенциальную окупаемость инвестиций. Если возможно, проведите анализ затрат и выгод, сравнивая различные варианты ванн. Сосредоточьтесь на ключевых факторах, таких как затраты на техническое обслуживание, потребление энергии и потенциальный выход алюминия.

Q&A

Q1: Почему алюминиевые электролитические конденсаторы запрещены?

A1: Алюминиевые электролитические конденсаторы после использования представляют опасность для окружающей среды из-за содержания алюминия и могут быть вредны, если ими неправильно управлять.

Q2: Каков срок службы алюминиевых электролитических конденсаторов?

A2: Срок службы алюминиевых электролитических конденсаторов может варьироваться в зависимости от таких факторов, как рабочая температура, напряжение и пульсационный ток. В целом, они могут прослужить от 1 до 2 лет при хранении при комнатной температуре и до 10 лет или более при хранении в идеальных условиях.

Q3: Какое напряжение электролита считается высоким?

A3: Как правило, высоковольтный электролитический конденсатор имеет 1000 В или более. Высоковольтные конденсаторы обычно изготавливаются из полипропилена, полиэстера или бумаги/фольги. Их часто используют в таких приложениях, как гасящее устройство, высоковольтная шина постоянного тока и параллельно с солнечным инвертором.