МЕТОДИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

B12. Устранять отклонения на анодном массиве.

1. ЭЛЕКТРОЛИЗ АЛЮМИНИЯ

Анодом в алюминиевой ванне служат обожженные угольные аноды.

Катодом в ванне является жидкий металл, который заряжен отрицательно.

Глинозём Al₂O₃, при растворении в криолите Na₃AlF₆, распадается на положительно заряженные ионы Al³⁺ и отрицательно заряженные ионы O^2-.

Al₂O₃Û Al³⁺ +O^2-

На угольном аноде происходит разряд ионов кислорода, их взаимодействие с углеродом анода с образованием анодных газов CO и СО₂

O₂-– 2e → О

2О + C → CO₂↑

CO₂+ C → 2CO↑

На жидком алюминиевом катоде протекает реакция восстановления ионов трёхвалентного алюминия – нарабатывается металл

Al³⁺ + 3е → Al

Если суммировать катодные и анодные реакции, протекающие при разложении глинозёма, то процесс электролиза можно записать в таком виде:

Al₂O₃ + 2C → 2Al + CO₂↑ + CO↑

Это основная формула электролиза алюминия.

Как подсчитать количество выделившегося на катоде алюминия? Теоретическая наработка металла рассчитывается по первому закону Фарадея

MT = K·I·t

K – электрохимический эквивалент (для алюминия K=0,3354)

I – сила тока

t – время прохождения тока

Например, при силе тока 200 кА за 24 часа, то есть за одни сутки, теоретически мы должны были получить:

Mт=0,3354·200·24=1610 кг∕сутки.

Однако алюминий обладает свойством растворяться в электролите, что приводит к значительным потерям металла, происходит обратная реакция, приводящая к тому, что полученный электролизом алюминий снова превращается в глинозём.

Al₂O₃ ↔ Al³⁺ + O^2- (прямая реакция)

Al³⁺ + O^2- ↔ Al₂O₃ (обратная реакция)

Поэтому на практике масса металла (Mп), определённая взвешиванием, всегда меньше теоретически рассчитанной, из-за неизбежных потерь на обратные реакции, «сгорание» металла. То есть фактически мы получим порядка:

Mп=1500 кг∕сутки.

Отношение массы практически полученного металла (определёной взвешиванием) к массе теоретически рассчитанной (по первому закону Фарадея) называется ВЫХОДОМ ПО ТОКУ.

η_т= Mп/ Mт называют выходом по току.

При промышленном электролизе выход по току всегда меньше единицы.

Для удобства выход по току выражают в процентах:

η_т= [Mп/ Mт ]·100%

Подставляем значения практически полученного и теоретически рассчитанного металла в формулу и получаем:

η_т= [Mп/ Mт ]·100%= 1500/1610=0,93∙ 100%= 93%

ВЫХОД ПО ТОКУ является важнейшей характеристикой электролиза алюминия. По выходу по току мы судим о непроизводственных потерях.

Например, значение выхода по току 93% показывает, что 7% процентов электроэнергии, трудозатрат ит.п. затрачены вхолостую, то есть просто потеряны. Эти потери неизбежны, но мы можем их снизить.

Отчего же зависит величина выхода по току? От множества факторов – технологии, конструкции электролизера, используемого сырья и материалов, качества обслуживания электролизеров ит.д., ит.п.

Рассмотрим основные технологические параметры, которые значительно влияют на выход по току:

1. Температура

Алюминий обладает свойством растворяться в электролите, что приводит к значительным потерям металла. Чем горячее идет электролизер, тем больше потери.

Рост температуры в ванне способствует интенсивным обратным реакциям. Существует негласное правило – снижение температуры процесса на 10ºС приводит к повышению выхода по току до 2%.

Поэтому важно соблюдать тепловой баланс электролизера. При определённых рабочем напряжении, температуре электролита, толщине настылей и ФРП, в электролизёре устанавливается тепловой баланс, то есть приход тепла равен его расходу.

Уравнение теплового баланса может быть выражено в виде:

Qэл + Qан = Qразл + Qмет + Qгаз + Qокр

где Qэл – приход тепла от прохождения электрического тока

Qан – приход тепла от сгорания углерода анода

Qразл – расход тепла на разложение глинозёма и другие электрохимические реакции

Qмет – тепло, удаляемое с выливаемым металлом

Qгаз – тепло, удаляемое с отходящими газами

Qокр – потери тепла в окружающее пространство

Тепловой баланс электролизёра:

Наименование статей
Приход:
1. От подведённой электроэнергии	98,2
2. Использованное тепло анодных газов	1,8
Итого	100%
Расход:
1. Разложение глинозёма и другие электрохимические реакции	43,9
2. Нагрев и расплавление исходных материалов и сырья	5,9
3. Тепловые потери в окружающую среду, в том числе:
а) анодным узлом	18,3
б) катодным узлом	30,8
Итого	98,9%
Невязка баланса	1,1

Оптимальный тепловой баланс устанавливается при температуре процесса 950-965ºС.

Кроме того, что запрещается переутеплять электролизер, существуют также ограничения по снижению температуры

Во-первых при холодном ходе ванна закоржовывается, падает уровень электролита, снижается скорость растворения глинозёма, усиливается волнение металла и, как следствие, снижение выхода по току.

Во-вторых ванна может «перевернуться». При комнатной температуре плотность алюминия 2,7 г∕см3, электролита 2,95 г∕см3

При температуре процесса 950-965ºС плотность алюминия уже 2,3 г∕см3, а электролита 2,1 г∕см3.

При снижении температуры плотность электролита растёт быстрее, чем металла, и наступает момент, когда их плотности сравниваются (металл и электролит становятся одинаковыми по весу) и металл всплывает на поверхность. Говорят «ванна переворачивается». Происходит замыкание электролизера накоротко. Весь ток уходит напрямую через металл – никакого процесса электролиза не происходит.

2. Межполюсное расстояние (мпр)

Одним из жёстких требований к современному электролизёру является поддержание определённого расстояния анод-катод (между подошвой анода и жидким металлом), которое называется межполюсным расстоянием (МПР).

Обычно оно составляет 5 - 5,5см, что соответствует напряжению порядка 4,2 - 4,4В. Каждый сантиметр МПР «стоит» приблизительно 350мВ (0,35В) падения напряжения в электролите. То есть, если мы выкрутили анодный массив вверх на 1см, то напряжение на ванне вырастет примерно на 0,35 Вольта.

Необоснованное увеличение МПР – это перерасход электроэнергии, разогрев электролизера и выход на горячий ход.

При уменьшенном ниже нормы МПР ванну называют зажатой.

Зажатие электролизера обязательно приведёт к усилению волнообразования (шумов, МГД-нестабильности), интенсивным обратным реакциям, быстрому росту температуры и, в конечном итоге - к резкому снижению выхода по току.

МГД расшифровывается как «Магнитная гидродинамика».