Hliník – II. díl

Sila na kysličník hlinitý: Ze sil kysličníkárny je pneumatickou cestou dopravován kysličník do sil elektrolýzy. Sila jsou velké, válcovité nádoby železobetonové konstrukce, ke spodní části zúžené. Část jednoho sila je vidět nad budovou elektrolýzy. Ze sil se kysličník hlinitý odpouští a rozváží do jednotlivých elektrolyzérů, aby se z něho v elektrolyzéru vyrobil kovový hliník. Silná elektronegativnost brání tomu, aby se hliník vylučoval z vodních roztoků svých solí elektrolyticky. Při elektrolýze vodních roztoků se na katodě vylučuje vodík a vzniká hydrát. Proto je možné hliník elektrolytickou cestou vylučovat jen z elektrolytů, které neobsahují volné ionty vodíku. Takovými elektrolyty jsou roztavené soli hlinité, sodné, vápenaté, hořečnaté atd. Průmyslově se vyrábí hliník elektrolýzou taveného fluorohlinitanu sodného – kryolitu, s kryolitovým poměrem v rozmezí 2,3–2,6 s přídavkem do 6 % fluoritu vápenatého. Bod tání elektrolytu tohoto složení s obsahem kysličníku hlinitého do 10 % je okolo 900 stupňů C. Elektrolýza kysličníku hlinitého v provozní praxi se provádí při teplotě o 30–60 stupňů C vyšší nežli bod tání této soustavy.

+24

Schéma – Elektrolyzér na výrobu hliníku: Elektrolyzér na výrobu hliníku sestává z anody a katody. Anoda je uhlíková a je konstruována buď jako nepřetržitá „Soederbergova anoda“, která proklouzává v permanentním plášti a obnovuje se doplňováním anodovou hmotou, která se v průběhu výroby Joulovým teplem vypaluje, anebo je anoda vytvořená jako polyanoda s předem vypálených uhlíkových bloků. Přívod proudu do anody je zajištěn ocelovými tyčemi, tak zvanými trny, na kterých je současně anoda zavěšená. Katodu tvoří vana, vyrobená z grafitových katodových a věncových bloků. Odvod proudu z katody je zajištěn ocelovými vodiči zvanými katodové vývody, zalisovanými do katodových bloků. Celá katoda je dobře tepelně izolována, aby nevznikaly ztráty tepla ochlazováním.

Děje na elektrodách – rovnice: V katodě elektrolyzéru se nachází roztavený elektrolyt. Na teplotě v rozmezí 940–960 stupňů C je udržován Joulovým teplem, vznikajícím hlavně v elektrolytu stejným proudem, kterým se uskutečňuje elektrolyzní pochod. Do elektrolytu je periodicky přisypáván kysličník hlinitý, který se v elektrolytu rozpouští a disociuje. O průběhu elektrolýzy v elektrolyzéru je mnoho teorií. Nebudeme se jimi podrobněji zabývat. Dá se říci, že kysličník se v elektrolytu rozpouští a vznikají ionty hliníkové se třemi náboji kladnými a ionty kyslíkové se dvěma náboji zápornými jako výsledek zreagování hlinitanového iontu AlO₂. Procházející proud způsobuje, že kationty hliníku přibírají tři elektrony a přeměňují se na kovový hliník, který je specificky těžší při teplotě elektrolýzy než elektrolyt, a klesá na dno katody. Kyslík reaguje s uhlíkem anody a vzniká kysličník uhelnatý a uhličitý. Působí tedy uhlík anody tím, že váže kyslík jako depolarizátor, neboť jestliže by nebyly kyslíkové ionty zpod anody odváděny, vznikala by polarizace anody, čímž by proces elektrolýzy byl ztížen. Vylučování kyslíku na anodě, která se současně spaluje, a při němž vzniká 52 % kysličníku uhličitého a 48 procent kysličníku uhelnatého, je potřebný anodový děj stejně jako vylučování hliníku na katodě. Anodový a katodový děj nemůže tedy probíhat jeden bez druhého. V elektrolyzéru probíhá pravidelně elektrolýza do té doby, dokud se v elektrolytu nachází kysličník hlinitý. Klesne-li obsah kysličníku hlinitého pod asi 1,5 procenta, pravidelný chod elektrolýzy se přeruší. Obvyklé napětí na elektrolyzéru, které činí 4,8–5 V, se následkem nedostatku kysličníku hlinitého zvýší na 25–30 V. Tomuto úkazu se říká anodový efekt a je výsledkem fyzikálně chemických změn elektrolytu s nízkým obsahem kysličníku hlinitého. Nadávkujeme-li do takového elektrolyzéru kysličník hlinitý, proces elektrolýzy se obnoví. Anodového efektu se využívá pro zjištění správného chodu elektrolýzy.

Schéma – Doplňování anodové hmoty a tahání trnů: V důsledku slučování kyslíku, vzniklého rozkladem kysličníku hlinitého s uhlíkem anody, nastává rovnoměrné uhořívání spodní části anody. Aby se nezvětšovala vzdálenost mezi elektrodami – hladinou kovu a anodou, a tím se nezvyšovalo pracovní napětí na elektrolyzéru, je anoda zavěšená pohyblivě, což umožňuje dodržení stejné vzdálenosti mezi tekutým kovem a anodou. Anoda při tom proklouzává v permanentním plášti a na povrch anody se přisypává nová nevypálená anodová hmota, která postupujíc do nižší polohy se roztavuje, koksuje, a tím se tvoří kompaktní pevná anoda. Se snižováním anody se dostávají trny do nižší polohy. Aby se nedostaly trny do styku s elektrolytem a nerozpustily se v něm, čímž by znehodnotily kvalitu hliníku, povytahují se jednotlivě do vyšší polohy. Nastavení všech trnů do vyšší polohy současně není možné, neboť by se uvolněním všech trnů porušila soudržnost trnů a anody a anoda by spadla do elektrolytu.

Schéma – Výrobnost elektrolyzéru – Faradeyovy zákony – rovnice: Množství vyrobeného hliníku v elektrolyzéru je přímo úměrné intenzitě proudu, proudové činnosti a času. Platí zde zákony Faradeyovy. Když označíme celkové množství vyloučeného hliníku písmenem M, množství vyloučené ampérhodinou a, proud v ampérech I, čas t a proudovou činnost e, bude M = a.I.t.e. Pracuje-li elektrolyzér při zmíněném napětí 4,8–5 V a provedeme-li číselný výpočet podle Faradeyova zákona, zjistíme, že na výrobu hliníku se spotřebuje velké množství stejnosměrné elektrické energie.

Usměrňovače v měnírně: Velká spotřeba stejnosměrné elektrické energie při elektrolýze hliníku si vyžádala existenci vlastního zdroje stejnosměrného proudu, kterým je měnírna. Zde se ve rtuťových usměrňovačích ze střídavé elektrické energie vyrábí stejnosměrný proud o vysoké intensitě. Princip usměrňovače je založen na jevu, že rtuťový světelný oblouk ve vzduchoprázdném prostoru propouští elektrický proud jen jedním směrem. V podstatě je to skleněná nebo kovová nádoba s grafitovou nebo ocelovou anodou a rtuťovou katodou s malou pomocnou anodou k zapalování oblouku. Několik desítek těchto usměrňovačů, propojených sérioparalelně, tvoří měnírnu.

Sběrnice: Stejnosměrný elektrický proud je pomocí vodičů o velkém průřezu přiváděn do elektrolyzní haly – k elektrolyzérům.

Schéma – Zapojení pecí: Jednotlivé elektrolyzéry jsou propojeny sběrnicemi, a to tak, že katodová sběrnice jednoho elektrolyzéru, na niž jsou napojeny katodové vývody, je spojena s anodovou sběrnicí, na kterou jsou připojeny trny anody následujícího elektrolyzéru. Jsou tedy jednotlivé elektrolyzéry v sériovém zapojení.

Výrobní jednotka – série: Jednotlivé elektrolyzéry jsou spojeny do série. Při sériovém zapojení spotřebičů je celkové napětí všech spotřebičů rovno součtu jednotlivých napětí, v našem případě součtu napětí na jednotlivých elektrolyzérech. Intenzita je u všech elektrolyzérů stejná. Protože se staví usměrňovací jednotky o napětí asi 800–1000 V, řadí se do série 160–170 elektrolyzérů a využívá se tak celého napětí usměrňovací jednotky – měnírny. Těmto elektrolyzérům spolu se samostatnou měnírnou říkáme elektrolyzní série.

Velín měnírny: Práce měnírny a dodávka stejnosměrné energie do elektrolýzy je řízena velínem měnírny. Seznámili jsme se víceméně s elektrolýzou hliníku, a nyní si celý postup výroby ukážeme na technologických úkonech v praxi.

Plnění pojízdného zásobníku: Ve spodní části sila se kysličník hlinitý odpouští gumovou hadicí do zásobníků, vezených akumulátorovým vozíkem k elektrolyzérům.

Zasýpání elektrolyzéru kysličníkem hlinitým: Na ztuhlou kůrku elektrolytu se kysličník hlinitý vysýpá pomocí čeřícího žlabu.

Probíjení elektrolyzéru: Asi v šestihodinových intervalech probíjejí elektrolyzníci ztuhlou kůrku elektrolytu probíjecími stroji a do elektrolytu se dostává kysličník hlinitý.

Čerpání hliníku: Elektrolyzní pochod je nepřetržitý. Čerpání hliníku se provádí každých 48 hodin nassáváním hliníku do hermeticky uzavřené pánve, ze které se vakuem vyssává vzduch, a potrubím, ponořeným v elektrolyzéru, se nassává do pánve tekutý hliník.

Dávkování anodové hmoty: Dávkování anodové hmoty do anod elektrolyzérů se provádí dávkovacím strojem – dávkovačem. Dávkovač je zásobník s gumovým transportérem zavěšený za traktor.

Plnění anod: Náhonovým hřídelem traktoru je poháněn pás, kterým jsou granulky anodové hmoty vynášeny na povrch anody.

Vytahování trnů: Vytahování trnů po odjištění uchycení na sběrnici se provádí speciálním výkrutným mechanismem zavěšeným na mostovém jeřábu.

Odvoz kovu do slévárny: Z vakuové pánve se hliník přelévá do převozné pánve a odváží se do slévárny, kde se vylévá do ustalovací pece. V ustalovací peci se hliník zbavuje mechanických nečistot a plynů vyplavováním.

Lití housek: Po ustálení se hliník při teplotě asi 720 stupňů C vylévá do kokilek nekonečného pásu.

Odebírání housek: Na konci licího pásu ztuhlé housky vypadávají a jsou pracovníky ukládány do hranolů.

Lití hliníkových ingotů: Pro potřebu výroby drátu, plechů a trubek se vyrábí hliníkové ingoty principem přetržitého svislého lití. Hliník je naléván do kokilky, která má vytvořené dno vysouvatelným jádrem. Kolem kokilky proudí studená voda, která hliník ochlazuje. Jádro kokilky pomalu klesá dolů a současně s ním i ztuhlý kov v kokilce. Takto stálým přitékáním kovu, chlazením a klesáním jádra se vytvoří hliníkové tvary, mající profil kokilky.

Svislé lití tvarů: Při lití principem svislého nepřetržitého lití se užívá lití několika tvarů současně, čímž se zvyšuje produktivita práce.

Kontrola vyrobených tvarů: Po ofrézování ingotů pracovníci oddělení technické kontroly kontrolují vyrobené tvary, zjišťují, zda nejsou znehodnoceny oxydickými plenami, vměstkami a prasklinami.