Fusione di alluminio

Elettrolita: L’elettrolita è un bagno fuso di criolite (Na3AlF6) e allumina dissolta. La criolite è un buon solvente per l’allumina con un basso punto di fusione, una viscosità soddisfacente e una bassa pressione di vapore. La sua densità è anche inferiore a quella dell’alluminio liquido (2 contro 2,3 g/cm3), il che permette la separazione naturale del prodotto dal sale sul fondo della cella. Il rapporto di criolite (NaF/AlF3) nella criolite pura è 3, con una temperatura di fusione di 1010 °C, e forma un eutettico con l’11% di allumina a 960 °C. Nelle celle industriali il rapporto della criolite è mantenuto tra 2 e 3 per diminuire la sua temperatura di fusione a 940-980 °C.

Catodo: I catodi di carbonio sono essenzialmente fatti di antracite, grafite e coke di petrolio, che sono calcinati a circa 1200 °C e frantumati e setacciati prima di essere usati nella fabbricazione dei catodi. Gli aggregati sono mescolati con pece di catrame di carbone, formati e cotti. La purezza del carbonio non è così rigorosa come per l’anodo, perché la contaminazione metallica dal catodo non è significativa. Il catodo di carbonio deve avere una forza adeguata, una buona conducibilità elettrica e un’alta resistenza all’usura e alla penetrazione del sodio. I catodi di antracite hanno una maggiore resistenza all’usura e uno scorrimento più lento con un’ampiezza inferiore rispetto ai catodi di coke di petrolio grafitico e grafitizzato. Invece, i catodi densi con più ordine grafitico hanno una maggiore conducibilità elettrica, un minore consumo di energia e un minore rigonfiamento dovuto alla penetrazione del sodio. Il rigonfiamento comporta un deterioramento precoce e non uniforme dei blocchi catodici.

Anodo: Gli anodi di carbonio hanno una situazione specifica nella fusione dell’alluminio e, a seconda del tipo di anodo, la fusione dell’alluminio si divide in due diverse tecnologie; anodi “Soderberg” e “prebaked”. Gli anodi sono anche fatti di coke di petrolio, mescolato con carbone-tar-pece, seguito da formatura e cottura a temperature elevate. La qualità dell’anodo influenza gli aspetti tecnologici, economici e ambientali della produzione di alluminio. L’efficienza energetica è legata alla natura dei materiali anodici, così come la porosità degli anodi cotti. Circa il 10% della potenza della cella viene consumata per superare la resistenza elettrica dell’anodo precotto (50-60 μΩm). Il carbonio viene consumato più del valore teorico a causa di una bassa efficienza di corrente e del consumo non elettrolitico. La qualità disomogenea dell’anodo dovuta alla variazione delle materie prime e dei parametri di produzione influisce anche sulle sue prestazioni e sulla stabilità della cella.

Gli anodi pre-cotti si dividono in tipi grafitizzati e coke. Per la fabbricazione degli anodi grafitizzati, l’antracite e il coke di petrolio sono calcinati e classificati. Vengono poi mescolati con pece di catrame di carbone e pressati. L’anodo verde pressato viene poi cotto a 1200 °C e grafitizzato. Gli anodi di coke sono fatti di coke di petrolio calcinato, mozziconi di anodo riciclati e pece di catrame di carbone (legante). Gli anodi sono fabbricati mescolando aggregati con pece di catrame di carbone per formare una pasta dalla consistenza pastosa. Questo materiale è più spesso vibrocompattato, ma in alcuni impianti viene pressato. L’anodo verde viene poi sinterizzato a 1100-1200 °C per 300-400 ore, senza grafitizzazione, per aumentarne la resistenza attraverso la decomposizione e la carbonizzazione del legante. Temperature di cottura più elevate aumentano le proprietà meccaniche e la conducibilità termica, e diminuiscono la reattività dell’aria e della CO2. La resistenza elettrica specifica degli anodi di tipo coke è superiore a quella degli anodi grafitizzati, ma hanno una maggiore resistenza alla compressione e una minore porosità.

Gli elettrodi Soderberg (in-situ baking), usati per la prima volta nel 1923 in Norvegia, sono composti da un guscio di acciaio e da una massa carboniosa che viene cotta dal calore che fuoriesce dalla cella di elettrolisi. Soderberg I materiali a base di carbonio come il coke e l’antracite vengono frantumati, trattati termicamente e classificati. Questi aggregati sono mescolati con pece o olio come legante, bricchettati e caricati nel guscio. La temperatura aumenta dal basso verso l’alto della colonna e la cottura in situ avviene quando l’anodo viene abbassato nel bagno. Una quantità significativa di idrocarburi viene emessa durante la cottura che è uno svantaggio di questo tipo di elettrodi. La maggior parte delle fonderie moderne usano anodi pre-cotti poiché il controllo del processo è più facile e si ottiene un’efficienza energetica leggermente migliore, rispetto agli anodi Soderberg.