Smeltning af aluminium

Elektrolyt: Elektrolytten er et smeltet bad af kryolit (Na3AlF6) og opløst aluminiumoxid. Kryolit er et godt opløsningsmiddel for aluminiumoxid med et lavt smeltepunkt, tilfredsstillende viskositet og lavt damptryk. Densiteten er også lavere end den for flydende aluminium (2 mod 2,3 g/cm3), hvilket muliggør en naturlig adskillelse af produktet fra saltet i bunden af cellen. Kryolitforholdet (NaF/AlF3) i ren kryolit er 3, med en smeltetemperatur på 1010 °C, og det danner et eutektikum med 11 % aluminiumoxid ved 960 °C. I industrielle celler holdes kryolitforholdet mellem 2 og 3 for at sænke smeltetemperaturen til 940-980 °C.

Katode: Kulkatoder er hovedsagelig fremstillet af antracit, grafit og petroleumskoks, som brændes ved ca. 1200 °C og knuses og sigtes, inden de anvendes til fremstilling af katoden. Aggregaterne blandes med kultjærebeg, formes og brændes. Kulrensningen er ikke så streng som for anoder, fordi metalforurening fra katoden ikke er væsentlig. Kulkatoder skal have tilstrækkelig styrke, god elektrisk ledningsevne og høj modstandsdygtighed over for slid og natriumindtrængning. Antracitkatoder har højere slidstyrke og langsommere krybning med lavere amplitude end grafitiske og grafitiserede petroleumskoks-katoder. I stedet har tætte katoder med mere grafitisk orden højere elektrisk ledningsevne, lavere energiforbrug og mindre hævelse som følge af natriumindtrængning. Hævelse resulterer i tidlig og uensartet nedbrydning af katodeblokke.

Anode: Kulstofanoder har en særlig situation i aluminiumsmeltning, og afhængig af anodetypen opdeles aluminiumsmeltning i to forskellige teknologier; “Soderberg”-anoder og “forbagte” anoder. Anoder fremstilles også af petroleumskoks, der blandes med kul-tjærebeg, efterfulgt af formning og bagning ved forhøjede temperaturer. Anodens kvalitet påvirker de teknologiske, økonomiske og miljømæssige aspekter af aluminiumproduktionen. Energieffektiviteten hænger sammen med anodematerialernes art og porøsiteten af de bagte anoder. Der bruges ca. 10 % af cellestrømmen til at overvinde den elektriske modstand i den forbagte anode (50-60 μΩm). Forbruget af kulstof er større end den teoretiske værdi på grund af lav strømeffektivitet og ikke-elektrolytisk forbrug. Inhomogen anodekvalitet på grund af variationen i råmaterialer og produktionsparametre påvirker også dens ydeevne og cellestabiliteten.

Forbagte anoder er opdelt i grafitiserede og koks-typer. Til fremstilling af de grafitiserede anoder kalcineres og klassificeres antracit og petroleumskoks. Derefter blandes de med kultjærebeg og presses. Den pressede grønne anode brændes derefter ved 1200 °C og grafitiseres. Koksanoder fremstilles af kalcineret petroleumskoks, genbrugte anodestumper og kultjærebeg (bindemiddel). Anoderne fremstilles ved at blande aggregater med stenkulstjærebeg til en pasta med en dejagtig konsistens. Dette materiale er oftest vibrokomprimeret, men på nogle anlæg presses det også. Den grønne anode sintres derefter ved 1100-1200 °C i 300-400 timer uden grafitisering for at øge dens styrke gennem nedbrydning og karbonisering af bindemidlet. Højere ovntemperaturer øger de mekaniske egenskaber og den termiske ledningsevne og mindsker luft- og CO2-reaktiviteten. Den specifikke elektriske modstand i anoder af koks-typen er højere end i de grafitiserede anoder, men de har højere trykstyrke og lavere porøsitet.

Soderberg-elektroder (in-situ-bagning), der blev anvendt første gang i 1923 i Norge, består af en stålskal og en kulstofholdig masse, der bages af den varme, der slipper ud af elektrolysecellen. Soderberg Kulstofbaserede materialer som koks og antracit knuses, varmebehandles og klassificeres. Disse aggregater blandes med beg eller olie som bindemiddel, briketteres og læsses ind i skallen. Temperaturen stiger fra bunden til toppen af kolonnen, og der sker en in-situ bagning, når anoden sænkes ned i badet. Der afgives en betydelig mængde kulbrinter under bagningen, hvilket er en ulempe ved denne type elektroder. De fleste moderne smelteværker anvender forbagte anoder, da det er lettere at kontrollere processen, og der opnås en lidt bedre energieffektivitet sammenlignet med Soderberg-anoder.