Aluminiumschmelze

Elektrolyt: Der Elektrolyt ist ein Schmelzbad aus Kryolith (Na3AlF6) und gelöster Tonerde. Kryolith ist ein gutes Lösungsmittel für Tonerde mit niedrigem Schmelzpunkt, zufriedenstellender Viskosität und niedrigem Dampfdruck. Seine Dichte ist auch geringer als die von flüssigem Aluminium (2 gegenüber 2,3 g/cm3), was eine natürliche Trennung des Produkts vom Salz am Boden der Zelle ermöglicht. Das Kryolith-Verhältnis (NaF/AlF3) in reinem Kryolith beträgt 3, mit einer Schmelztemperatur von 1010 °C, und es bildet ein Eutektikum mit 11 % Aluminiumoxid bei 960 °C. In industriellen Zellen wird das Kryolith-Verhältnis zwischen 2 und 3 gehalten, um die Schmelztemperatur auf 940-980 °C zu senken.

Kathode: Kohlenstoffkathoden werden im Wesentlichen aus Anthrazit, Graphit und Petrolkoks hergestellt, die bei etwa 1200 °C kalziniert und vor der Verwendung in der Kathodenherstellung zerkleinert und gesiebt werden. Die Zuschlagstoffe werden mit Kohlenteerpech gemischt, geformt und gebrannt. Die Reinheit des Kohlenstoffs ist nicht so streng wie bei der Anode, da die Metallverunreinigung der Kathode nicht signifikant ist. Kohlenstoffkathoden müssen eine ausreichende Festigkeit, eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Beständigkeit gegen Verschleiß und Natriumdurchdringung aufweisen. Anthrazitkathoden haben eine höhere Verschleißfestigkeit und ein langsameres Kriechen mit geringerer Amplitude als graphitische und graphitierte Petrolkokskathoden. Stattdessen haben dichte Kathoden mit mehr graphitischer Ordnung eine höhere elektrische Leitfähigkeit, einen geringeren Energieverbrauch und eine geringere Quellung aufgrund des Eindringens von Natrium. Die Quellung führt zu einer frühzeitigen und ungleichmäßigen Verschlechterung der Kathodenblöcke.

Anode: Kohlenstoffanoden haben in der Aluminiumverhüttung eine besondere Stellung, und je nach Art der Anode wird die Aluminiumverhüttung in zwei verschiedene Technologien unterteilt: „Soderberg“- und „vorgebackene“ Anoden. Anoden werden auch aus Petrolkoks hergestellt, der mit Steinkohlenteerpech gemischt und anschließend bei hohen Temperaturen geformt und gebrannt wird. Die Qualität der Anode beeinflusst die technologischen, wirtschaftlichen und ökologischen Aspekte der Aluminiumproduktion. Die Energieeffizienz hängt von der Art der Anodenmaterialien und der Porosität der gebrannten Anoden ab. Etwa 10 % der Zellenenergie werden verbraucht, um den elektrischen Widerstand der vorgebrannten Anode (50-60 μΩm) zu überwinden. Der Kohlenstoffverbrauch ist höher als der theoretische Wert, da die Stromausbeute gering ist und der Verbrauch nicht elektrolytisch ist. Inhomogene Anodenqualität aufgrund von Schwankungen bei den Rohstoffen und Produktionsparametern beeinträchtigt ebenfalls die Leistung und die Stabilität der Zelle.

Vorgebrannte Anoden werden in graphitierte und kokshaltige Typen unterteilt. Für die Herstellung der graphitierten Anoden werden Anthrazit und Petrolkoks kalziniert und klassifiziert. Anschließend werden sie mit Steinkohlenteerpech gemischt und gepresst. Die gepresste grüne Anode wird dann bei 1200 °C gebrannt und graphitiert. Koksanoden werden aus kalziniertem Petrolkoks, recycelten Anodenstümpfen und Steinkohlenteerpech (Bindemittel) hergestellt. Die Anoden werden durch Mischen von Zuschlagstoffen mit Steinkohlenteerpech zu einer Paste mit teigiger Konsistenz hergestellt. Dieses Material wird in den meisten Fällen vibrierend verdichtet, in einigen Anlagen aber auch gepresst. Die grüne Anode wird dann bei 1100-1200 °C 300-400 Stunden lang gesintert, ohne Graphitierung, um ihre Festigkeit durch Zersetzung und Verkohlung des Bindemittels zu erhöhen. Höhere Brenntemperaturen erhöhen die mechanischen Eigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit und verringern die Reaktivität von Luft und CO2. Der spezifische elektrische Widerstand der koksartigen Anoden ist höher als der der graphitierten, aber sie haben eine höhere Druckfestigkeit und eine geringere Porosität.

Soderberg-Elektroden (In-situ-Backen), die erstmals 1923 in Norwegen verwendet wurden, bestehen aus einem Stahlmantel und einer kohlenstoffhaltigen Masse, die durch die aus der Elektrolysezelle entweichende Wärme gebacken wird. Soderberg Kohlenstoffhaltige Materialien wie Koks und Anthrazit werden zerkleinert, wärmebehandelt und klassifiziert. Diese Aggregate werden mit Pech oder Öl als Bindemittel gemischt, brikettiert und in den Mantel geladen. Die Temperatur steigt von unten nach oben in der Kolonne an, und beim Absenken der Anode in das Bad findet ein In-situ-Backen statt. Beim Brennen werden erhebliche Mengen an Kohlenwasserstoffen freigesetzt, was ein Nachteil dieser Art von Elektroden ist. Die meisten modernen Schmelzanlagen verwenden vorgebrannte Anoden, da die Prozesssteuerung einfacher ist und im Vergleich zu Soderberg-Anoden eine etwas bessere Energieeffizienz erreicht wird.