Состав электролита, уровни металла и электролита

Состав электролита задается с учётом большого числа факторов, определяющих работу электролизера: температуры ванны, растворимости глинозема, вязкости электролита, состояния гарнисажей и др., как отмечено в разделе 1.4.

Основная задача технолога состоит в том, чтобы поддерживать стабильное значение к.о. и содержание добавок в пределах, установленных технологической инструкцией. Это довольно непростая задача, т.к. в процессе электролиза состав электролита существенно меняется в результате потери летучих фракций (прежде всего AlF_з), потери NaF за счет избирательной пропитки этой солью угольной футеровки, а также поступления примесей с глиноземом и другим сырьем и т.д.

Основная форма поддержания состава электролита – это так называемая корректировка, т.е. периодическая компенсация теряемых в процессе электролиза компонентов, прежде всего солей AlF₃, CaF₂ и NaF. Для определения криолитового отношения, содержания CaF₂ и MgF₂ отбирают пробы электролита с ванн по установленному графику. Содержание глинозема и угольной пены в пробах должно быть минимальным. Исходя из объёма электролита и результатов анализа, рассчитывается масса добавок индивидуально для каждого электролизера.

Способы корректировки могут быть различными. Загрузка AlF_з в электролизеры осуществляется путем подсыпки тонким слоем на корку электролита, с которой предварительно удаляется глинозем. Место подсыпки желательно выбрать с продольной стороны электролизера, которая подлежит обработке в ближайшее время. Разовая загрузка фтористого алюминия зависит от мощности электролизера и может составлять от 40 до 100 кг. Загруженный слой фтористого алюминия присыпается глиноземом. Таким способом удается избежать потерь этой добавки за счет пыления и сублимации. Возможна подача фтористого алюминия сразу же после обработки электролизера на свежую корку. Однако и в этом случае вновь загруженная порция фтористого алюминия должна быть присыпана глинозёмом.

Загрузка фтористого алюминия в электролизер, как правило, производится с помощью специализированной техники: машин по загрузке фтористого алюминия, через модуль автоматизированного питания фтористым алюминием АПФ или другим механизированным способом. Применяются подвесные бункера с весовыми устройствами типа «потеря в весе», позволяющие подавать на ванны ВТ дозированные порции AlF₃.

Успешно используется система питания электролизера фтористыми солями в виде их смеси с глиноземом. Смесь готовят на складе глинозема с помощью специальных весовых дозаторов. Готовая смесь (фторглиноземная шихта) с помощью пневмотранспорта перемещается в межкорпусные ёмкости-накопители, откуда её развозят по ваннам.

Фтористый алюминий поступает в электролизёры также с глинозёмом после сухой газоочистки, если такой способ газоочистки имеется на предприятии. Все эти источники поступления AlF₃ должны быть учтены при расчёте корректировки электролита .

Весьма эффективно использовать фтористый алюминий в виде мелких гранул или брикетов. Потери за счет пыления и сублимации при этом минимальны. На электролизёрах ОА получила развитие автоматизированная корректировка состава электролита по температуре ликвидуса, о чём более подробно будет сказано в следующем разделе.

Корректировка фтористым кальцием производится по результатам анализов на содержание CaF₂ c учетом уровня электролита. Засыпка ведется ровным слоем на поверхность электролита по центру продольной стороны непосредственно после разрушения корки электролита. Сверху CaF₂ присыпается тонким равномерным слоем криолита или фтористого алюминия. Соотношение загружаемого фтористого кальция и криолита должно быть 1:2 - 1:3, а с фтористым алюминием 1:1 ¸ 1:2. Поверх фтористых солей загружается очередная порция глинозема. Корректировка фтористым кальцием уэлектролизеров с низким уровнем электролита не производится.

Фтористый натрий загружается на открытую поверхность электролита, лучше во время «вспышки» или сразу после её гашения. В таком случае NaF полностью растворяется в электролите и не идет в осадок на подину. Технический криолит чаще применяют для обновления электролита, улучшения отделения пены и снижения науглероженности электролита. Во избежание выпадания криолита в осадок его переплавляют осторожно, небольшими порциями, предварительно подогревая на корке.

Наметившаяся в последние годы интенсификация процесса электролиза за счет повышения силы тока на сериях ставит новые, более жесткие требования к составу электролита. Появляется необходимость максимально снизить греющее напряжение в междуполюсном пространстве как за счет электропроводности электролита, так и за счет уменьшения его газонаполнения.

Согласно расчетам объем анодных газов, еще не успевших удалиться из-под анода, составляет 20-30% от объёма МПР. Такое количество непроводящего материала вызывает уменьшение эффективного сечения электролита и дополнительное падение напряжение в междуполюсном пространстве на 0,10-0,15 В.

Вязкость электролита и условия его циркуляции имеют при этом первостепенное значение. По указанным выше соображениям технолог стремится работать на кислых электролитах, но ограничен в возможности дальнейшего повышения содержания добавок CaF₂ и особенно MgF₂, не только снижающих проводимость электролита и растворимость в нем глинозема, но и повышающих его вязкость.

Что касается уровня электролита и, соответственно, объёма электролита в ванне, то они должны обеспечить нормальный ход электролизера, т.е. растворение достаточного количества глинозема и необходимую теплопередачу из междуполюсного пространства к борту ванны. Анализ энергетического баланса электролизера (раздел 5.9) показывает, что в электролите потребляется порядка 80% всей расходуемой электролизером энергии, из которой 49% расходуется на разложение глинозема, не превращаясь в тепло, а 31% выделяется в виде джоулева тепла и теряется через анод, криолитоглиноземную корку, бортовые стенки и с анодными газами.

Такое распределение тепловой энергии показывает, что основная её часть отводится из рабочей зоны через границу электролита с гарнисажем, коркой и анодом. Отсюда следует, что отвод избыточного тепла из междуполюсного пространства происходит преимущественно за счет электролита, точнее его циркуляции от центра к периферии.

Избыточное количество электролита приводит к замедлению его циркуляции в направлении от центра анода на периферию и снижению теплопередачи; при недостаточном количестве электролита существенно возрастает число анодных эффектов, часть глинозема выпадает в осадок на подину. Избыточный электролит сливается из ванны, а недостаток восполняется переплавкой оборота, свежего или вторичного криолита.

Алюминиевые заводы, особенно оснащенные современными электролизёрами ОА и работающие на кислых электролитах с низким перегревом, сталкиваются с проблемой искусственной наработки в ваннах излишнего электролита. С одной стороны это связано с тем, что электролизёры ОА работают практически без снятия угольной пены и потери электролита невелики. С другой – это результат поступления значительных количеств оксида натрия с сырьевыми материалами и, особенно с глинозёмом. Поступивший оксид натрия взаимодействует с AlF₃ электролита по реакции

3Na₂O + 2 AlF₃ = 6 NaF + Al₂O₃,

при этом образуется 6 молекул NaF и к.о. электролита сдвигается в сторону повышения. Чтобы восстановить исходное к.о., избыточный NaF следует связать добавкой фтористого алюминия:

6 NaF + 2 AlF₃ = 2(3NaF . AlF₃)

Такая реакция справедлива для электролита при к.о. 3,0. Если условно предположить, что электролит имеет к.о. 2,0, то эту же реакцию можно записать как

6 NaF + 3 AlF₃ = 3(2NaF . AlF₃)

При этом масса образовавшегося кислого криолита, рассчитанная по молекулярному весу, возрастет на 37%. Если обратиться к реальным значениям к.о., например: рядовой -2,6, кислый-2,3, то увеличение наработки электролита составит 11%. Этот рост количества электролита оказывается достаточным не только для покрытия его производственных потерь, но и приводит к образованию его избытка, который периодически необходимо сливать из ванн. Так, например, на Саянском алюминиевом заводе при работе с к.о. 2,5-2,6 излишков электролита не образовывалось. При переходе на к.о. 2,28 имело место образование значительных избытков электролита. Использование свежего криолита прекращено. Аналогичная тенденция складывается и на электролизёрах других типов, если они работают без снятия угольной пены и на кислых электролитах.

Для нормальной эксплуатации электролизеров с самообжигающимися анодами уровень электролита поддерживают в пределах 15-18 см, стремясь удерживать его по возможности на нижнем пределе. На электролизерах с обожженными анодами, на которых при замене анодов извлекается в виде корки большое количество электролита, технолог стремится иметь некоторый резерв объёма электролита и поддерживает его уровень в пределах 19-22 см.

Не менее важная задача - поддержание нормального уровня (или «зеркала») металла в ванне. Что касается роли металла в переносе тепла и выравнивании температуры в ванне, то, несмотря на высокую теплопроводность алюминия, она относительно невелика. При циркуляции электролита со скоростью от 0,01 до 0,2 м/с интенсивность переноса тепла электролитом за счет циркуляции на один-два порядка выше, чем металлом за счет теплопроводности. Однако это не означает, что уровень металла слабо влияет на тепловой баланс электролизёра.

Для электролизеров, особенно большой мощности, характерна значительная плотность горизонтальных токов в металле с вытекающими из этого последствиями. Известно, что при понижении уровня металла плотность горизонтальных токов возрастает.

Если же принять во внимание другие факторы (удобство обслуживания анодов, стремление иметь более теплоемкую массу в ванне, а также по возможности меньшую глубину погружения анодов в шахту), то необходимо стремиться к более полному заполнению шахты ванны жидким алюминием.

Чрезвычайно важным является последний фактор – степень погружения анода. Технологам хорошо известна ситуация, когда при чрезмерном снижении «зеркала» металла (на 4-6 см) и заглублении анодного массива в шахту происходит усиленное обгорание и осыпание анодов, как самообжигающихся, так и обожженных. Образуется большое количество угольной пены. Это одна из наиболее распространенных причин расстройства технологии электролизеров. Стабильность уровня металла регулируется технологом путем задания на выливку металла индивидуально для каждого электролизера.