Alumiinin sulatus

Elektrolyytti: Elektrolyytti on kryoliitin (Na3AlF6) ja liuenneen alumiinioksidin sula kylpy. Kryoliitti on hyvä liuotin alumiinioksidille, sillä sillä on alhainen sulamispiste, tyydyttävä viskositeetti ja alhainen höyrynpaine. Sen tiheys on myös pienempi kuin nestemäisen alumiinin tiheys (2 g/cm3 vs. 2,3 g/cm3), mikä mahdollistaa tuotteen luonnollisen erottumisen suolasta kennon pohjalla. Kryoliitin suhde (NaF/AlF3) puhtaassa kryoliitissa on 3, ja sen sulamislämpötila on 1010 °C. Kryoliitti muodostaa eutektisen yhdisteen 11 %:n alumiinioksidin kanssa 960 °C:ssa. Teollisissa kennoissa kryoliitin suhde pidetään välillä 2 ja 3, jotta sen sulamislämpötila laskisi 940-980 °C:een.

Katodi: Hiilikatodit valmistetaan pääasiassa antrasiitista, grafiitista ja petrolikokista, jotka kalsinoidaan noin 1200 °C:ssa ja murskataan ja seulotaan ennen katodin valmistusta. Aggregaatit sekoitetaan kivihiilitervapikeen, muotoillaan ja poltetaan. Hiilen puhtaus ei ole yhtä tiukka kuin anodin osalta, koska katodista peräisin oleva metallikontaminaatio ei ole merkittävää. Hiilikatodilla on oltava riittävä lujuus, hyvä sähkönjohtavuus ja hyvä kulumisen ja natriumin tunkeutumisen kestävyys. Antrasiittikatodeilla on parempi kulumiskestävyys ja hitaampi viruminen pienemmällä amplitudilla kuin grafiittisilla ja grafitoidulla petrolikoksikatodeilla. Sen sijaan tiheät katodit, joissa on enemmän grafiittista järjestystä, ovat sähkönjohtavuudeltaan parempia, energiankulutukseltaan pienempiä ja natriumin tunkeutumisesta johtuva turvotus on vähäisempää. Turpoaminen johtaa katodilohkojen varhaiseen ja epätasaiseen heikkenemiseen.

Anodi: Hiilianodeilla on erityinen asema alumiinin sulatuksessa, ja anodityypistä riippuen alumiinin sulatus jaetaan kahteen eri tekniikkaan; ”Soderberg”- ja ”prebaked”-anodeihin. Anodit valmistetaan myös öljykoksista, johon sekoitetaan kivihiilitärpiitä, minkä jälkeen ne muotoillaan ja paahdetaan korkeissa lämpötiloissa. Anodin laatu vaikuttaa alumiinin tuotannon teknologisiin, taloudellisiin ja ympäristönäkökohtiin. Energiatehokkuus liittyy anodimateriaalien luonteeseen sekä paistettujen anodien huokoisuuteen. Noin 10 prosenttia kennon tehosta kuluu esipaistetun anodin (50-60 μΩm) sähkövastuksen voittamiseen. Hiiltä kuluu teoreettista arvoa enemmän alhaisen virran hyötysuhteen ja ei-elektrolyyttisen kulutuksen vuoksi. Raaka-aineiden ja tuotantoparametrien vaihtelusta johtuva epähomogeeninen anodin laatu vaikuttaa myös sen suorituskykyyn ja kennon vakauteen.

Prefibrikoidut anodit jaetaan grafitoituun ja koksityyppiin. Grafitoitujen anodien valmistusta varten kalsinoidaan ja luokitellaan antrasiitti- ja petrolikoksia. Sitten ne sekoitetaan kivihiilitervapikeen ja puristetaan. Puristettu vihreä anodi paistetaan sitten 1200 °C:ssa ja grafitoidaan. Koksianodit valmistetaan kalsinoidusta petrolikokista, kierrätetyistä anoditumpeista ja kivihiilitervapikeestä (sideaine). Anodit valmistetaan sekoittamalla kiviaineksia kivihiilitervapikeen kanssa taikinamaiseksi massaksi. Tämä materiaali tiivistetään useimmiten täryttämällä, mutta joissakin laitoksissa se puristetaan. Vihreä anodi sintrataan sitten 1100-1200 °C:ssa 300-400 tunnin ajan ilman grafitointia, jotta sen lujuus kasvaisi sideaineen hajoamisen ja hiiltymisen kautta. Korkeammat paistolämpötilat parantavat mekaanisia ominaisuuksia ja lämmönjohtavuutta ja vähentävät ilman ja hiilidioksidin reaktiivisuutta. Koksityyppisten anodien sähköinen ominaisresistanssi on suurempi kuin grafitoitujen, mutta niiden puristuslujuus on suurempi ja huokoisuus pienempi.

Soderberg-elektrodit (in-situ-paistaminen), joita käytettiin ensimmäisen kerran vuonna 1923 Norjassa, koostuvat teräskuoresta ja hiilipitoisesta massasta, joka paahdetaan elektrolyysikennosta karkaavalla lämmöllä. Soderberg Hiilipohjaiset materiaalit, kuten koksi ja antrasiitti, murskataan, lämpökäsitellään ja luokitellaan. Nämä ainekset sekoitetaan pikeen tai öljyyn sideaineena, briketöidään ja lastataan kuoreen. Lämpötila nousee alhaalta pylvään yläosaan, ja paikan päällä tapahtuva paistaminen tapahtuu, kun anodi lasketaan kylpyyn. Paistamisen aikana vapautuu huomattava määrä hiilivetyjä, mikä on tämäntyyppisten elektrodien haittapuoli. Useimmissa nykyaikaisissa sulattamoissa käytetään esipaahdettuja anodeja, koska prosessin hallinta on helpompaa ja energiatehokkuus on hieman parempi kuin Soderbergin anodeissa.