Программа дисциплины (Syllabus) PGA 3302 - Производство глинозема и алюминия (стр. 24 )

Анодные эффекты отрицательно влияют на технико-экономические показатели процесса электролиза алюминия, приводя к повышению расхода электроэнергии, угольного анода и фтористых солеи, снижению производительности электролизера, к необходимости создания специальных систем по стабилизации тока и создания резерва напряжения на преобразовательных подстанциях. Однако анодные эффекты позволяют контролировать работу алюминиевых электролизеров.

Существуют различные мнения о причинах возникновения анодного эффекта и о механизме этого процесса. Установлено, что падение напряжения во время анодного эффекта сосредоточено на поверхности раздела анод—электролит. Наступление анодного эффекта заключается во внезапном повышении сопротивления на этой границе. В настоящее время можно считать общепризнанным, что при наступлении анодного эффекта образуется газовая пленка, отделяющая анод от электролита. Известно, что при снижении напряжения анодный эффект не всегда исчезает быстро. 

Наиболее убедительным объяснением причины наступления анодного эффекта следует признать гипотезу и , которые на основе изучения электрохимических процессов, протекающих на аноде, и явлении взаимодействия выделяющегося на аноде газа с материалом анода показали, что причиной наступления анодного эффекта является образование на поверхности анода соединения типа СхFу. Когда 'поверхность анода полностью покроется таким соединением, наступает резкое ухудшение смачиваемости вследствие изменения ут. ж и ут. г. Эта гипотеза подтверждается наличием соединения типа CхFy в отходящих газах, отобранных во время анодного эффекта, а также высокими электроизоляционными свойствами галогенуглеродных соединений и плохой их смачиваемостью.

Величины, характеризующие процесс электролиза

Количество алюминия, выделяющееся при электролизе криолито-глиноземных расплавов, в соответствии с законами Фарадея
определяется зависимостью: m=0,336/ф/1000, где m—количество алюминия, выделяющееся при электролизе, кг; 0,336 (точнее, 0,33577)—электрохимический эквивалент алюминия, г/(А. ч); I— сила тока, А; ф—время протекания процесса, ч.

Выход по току—коэффициент полезного использования тока;

определяется как отношение количества алюминия, выделившегося в процессе электролиза, к количеству алюминия, которое должно было выделиться в соответствии с законами Фарадея. Обычно выход по току (зт) выражается в процентах и характеризуется зависимостью зт=Р▪100/m, где Р—количество алюминия, выделившегося в процессе электролиза (производительность электролизера), кг; m—количество алюминия, которое должно было выделиться в соответствии с законами Фарадея, кг.

Подставив в это выражение значение m, получим зт=P•1000x100/(0,336/ф).

Отсюда производительность электролизера, кг: ;

Р==0,336/ф зг/1000 • 100==0,336/ф зг •10-5.

Величина выхода по току зависит от многих переменных факторов. До настоящего времени не удалось разработать достаточно
надежного и простого метода непосредственного измерения выхода но току на промышленном электролизере. Чтобы найти выход по току за определенный промежуток времени, необходимо знать количество металла в электролизере на начало и конец исследуемого периода.

Выход по энергии W, или удельный расход электроэнергии, определяется расходом электроэнергии на единицу массы алюминия, кВт. ч/т:

W=IUсрф/P,

где I—сила тока, A; Ucp—среднее напряжение электролизера, В; Р—производительность электролизера, т.

Подставляя значение Р и производя соответствующие упрощения, получаем выражение удельного расхода электроэнергии:

W =Uср105/ (0,336зт).

В практике часто пользуются обратной величиной, называемой выходом и выражаемой в граммах на киловатт-час (условно она
называется также выходом по энергии). Эта величина выражает количество алюминия, выделяемого 1 кВт. ч электроэнергии постоянного тока, г/(кВт. ч):

На промышленных электролизерах в зависимости от их конструктивных особенностей и условий технологического режима выход составляет от 60 до 70 г/(кВт-ч). Чем выше выход по току и чем ниже среднее напряжение на электролизере, тем эффективнее расходуется электрическая энергия при производстве алюминия.

Влияние различных факторов на выход по току

При промышленном электролизе криолито-глиноземных расплавов выход по току при нормальном технологическом режиме составляет 82—92%. Основные потери металла связаны с протеканием вторичных и побочных химических и электрохимических процессов, о чем говорилось ранее.

Основными факторами, от которых зависит выход по току, являются: температура процесса, расстояние между электродами (междуполюсное расстояние), плотность тока, состав электролита, высота (уровень) слоя технологического алюминия в шахте ванны, электромагнитные силы, конструкция, геометрические размеры и система обслуживания электролизера.

Установлено, что повышение температуры процесса электролиза - криолито-глиноземного расплава на 10 градусов приводит : к снижению выхода но току на 2—3 %. Результаты многочисленных исследований показывают, что оптимальная температура процесса на промышленных электролизерах 945—965 °С.

Расстояние между нижней поверхностью анода электролизера и поверхностью алюминия в шахте ванны называют междуполюсным расстоянием. В промышленных электролизерах при нормальной технологии это расстояние 4—6,5 см. Известно, что с увеличением междуполюсного расстояния повышается выход по току.

Однако одновременно возрастает падение напряжения в электролите, что приводит к увеличению расхода электроэнергии. При междуполюсном расстоянии менее 4 см резко снижается выход по току в результате возрастания интенсивности вторичных процессов.

В алюминиевом электролизере различают три вида плотности тока: анодную (dа — в сечении анода, катодную dк—определяемую площадью поверхности жидкого алюминия, и среднюю D—в сечении электролита. Средняя плотность тока представляет coбoй среднеквадратичную величину анодной и катодной плотностей тока:

Анодная плотность тока промышленного электролизера всегда несколько выше катодной. При постоянных условиях протекания процесса электролиза с увеличением катодной плотности тока выход по току повышается.

С возрастанием плотности тока до определенных пределов происходит увеличение выхода по току, а затем наблюдается его снижение.

Промышленные электролизеры современных конструкций в зависимости от мощности (силы тока) и выбранных параметров технологического процесса работают на анодной плотности тока 0,6—1,1 А/см2. С увеличением мощности электролизера (силы тока) оптимальная анодная плотность тока снижается.

Влияние состава электролита на выход по току определяется свойствами компонентов, входящих в его состав. Следует подчеркнуть, что на выход по току наиболее существенное влияние оказывают такие свойства электролита, как температура плавления, растворимость в нем алюминия и электропроводность. Чем ниже температура плавления электролита, тем при более низкой температуре можно вести процесс электролиза и, следовательно, иметь повышенный выход по току. Поэтому криолитовое отношение промышленных электролитов необходимо поддерживать в пределах 2,6—2,8 при содержании в нем суммы добавок не выше 10 %.

При снижении растворимости алюминия в электролите уменьшается вероятность протекания вторичных процессов, что способствует увеличению выхода по току. Повышение электропроводности создает при прочих равных условиях возможность проведения процесса с увеличенным междуполюсным расстоянием, а это тоже увеличивает выход по току.

Особо следует остановиться на отрицательном влиянии оксидов некоторых металлов, дающих несколько степеней окисления (ванадий, читай, фосфор и др.). Установлено, что наличие таких оксидов в виде примесей к промышленному электролиту даже в небольших количествах приводит к значительному снижению выхода по току. В связи с этим в стандартах на сырье, применяемое в производстве алюминия, отмечены необходимые ограничения. Так, в частности, ГОСТом па глинозем предусмотрено содержание примеси P2O5 не более 0,002 %.

Высота слоя технологического алюминия в шaxте электролизера оказывает определенное влияние па выход по току при прочих равных условиях и всегда принимается во внимание при подборе технологических параметров процесса. Чем выше интенсификация процесса (плотность тока) при одинаковых конструктивных размерах электролизера, тем большим должен быть уровень жидкого металла. Технологический металл способствует выравниванию теплового поля под анодом электролизера за счет высокой теплопроводности алюминия и отвода тепла через боковые стороны
катодного устройства Уменьшение уровня металла при прочих равных условиях приводит к снижению выхода по току.

Хороню известно, что при прохождении постоянного тока через проводник возникают электромагнитные поля, которые вызывают искривления поверхности жидкого алюминия в электролизере, а это приводит к снижению выхода по току. На электролизеры большой мощности (свыше 100 кА) электромагнитные явления оказывают такое отрицательное влияние, что для его устранения приходится пpинимaть специальные меры. Более подробно о путях устранения влияния электромагнитных полей на показатели рабoты электролизера рассказано в следующей главе.

Влияние на выход по току таких факторов, как конструктивные особенности и геометрические размеры электролизера, способы его обслуживания, обусловлено влиянием этих факторов на анодную и (особенно) катодную плотности тока. Практика эксплуатации электролизеров с предварительно обожженными анодами показывает, что при прочих равных условиях выход но току при работе на электролизерах этой конструкции выше, чем на электролизерах с самообжигающимся анодом. Это, очевидно, объясняется лучшими условиями теплоотдачи и более равномерным температурным полем в междуэлектродной зоне.

Большое влияние на величину выхода по току оказывают боковые настыли в шахте ванны. Отсутствие бортовых настылей приводит к утечкам тока и, следовательно, к снижению выхода по току.