Зависимость выхода по току от переменных факторов

Выход по току всегда находится в центре внимания технологов, так как этот параметр связан с результатами работы промышленных электролизёров.

Температура электролита

Температура электролита - наиболее важный фактор, влияющий на выход по току. Повышение температуры на каждые 10 °С понижает выход по току в заводских условиях на 3-4 %.

Согласно рис. 4.1 (4.4 а) выход по току достигает 95-97 % при 940°С. При повышении температуры до 980°С выход по току падает до 74%. Эти результаты были получены в лабораторных условиях, но такие же результаты и на промышленных ваннах.

η

940 980 Т ºC

Рисунок 4.1 Зависимость выхода по току от температуры электролита

Оптимальная температура электролита 950-965 °С. Можно получить 1% улучшения выхода по току при снижении температуры на 5-6 ºС, а для электролитов, модифицированных LiF, оптимальная температура может быть ниже на 10 °С. На сериях электролизёров на 300 кА средний выход по току 94,7 % при концентрации AlF₃ ≈11,7% и температуре 958 ºС. Но значительные перегревы или снижение температуры электролита приводят к нарушению нормальной работы электролизёра.

Междуполюсное расстояние

Расстояние между подошвой анода и поверхностью алюминия (зеркалом металла) называют междуполюсным расстоянием (МПР). Зависимость выхода по току от МПР при постоянной плотности тока 1 А/см² и температуре 1000 °С приведена на рис. 4.2. Видно, что с увеличением МПР выход по току возрастает, а сильное уменьшение МПР (3 см и ниже) приводит к резкому уменьшению выхода по току. Увеличение МПР более 6 см нецелесообразно, так как выход по току возрастает незначительно.

η

3 6 l, см

Рисунок 4.2 - Зависимость выхода по току от междуполюсного расстояния

От величины междуполюсного расстояния зависит величина падения напряжения U, В в электролите:

U = p*D_эл*l (4.15)

где р - удельное электросопротивление электролита, Ом*см;

D_эл - плотность тока в электролите, А/см²;

l - междуполюсное расстояние, см.

По формуле (4.15) видно, что с увеличением МПР увеличивается падение напряжения в электролите и, следовательно, увеличивается расход электроэнергии. Поэтому обычно работают с МПР 4–6 см.

Плотность тока

3ависимость выхода по току от плотности тока при МПР = 5 см и температуре 1000°С показана на рис. 4.3 Выход по току возрастает с повышением плотности тока, но также увеличивается напряжение на ванне (формула 4.15). Кроме того, с увеличением плотности тока потенциал электрода сдвигается в отрицательную сторону и происходит совместный разряд ионов алюминия и натрия, что снижает выход по току алюминия (рис. 4.4 б).

В современной практике анодная плотность тока в зависимости от конструкции ванн и технологии лежит в пределах 0,6 -1 А/см². Конечно, чем выше плотность тока, тем меньше размеры ванны, ниже стоимость их сооружения, а вместе с усовершенствованием технологии электролиза можно значительно увеличить производительность ванн. Но для снижения расхода электроэнергии выгоднее работать на пониженных плотностях тока.

η

d_т, А/см²

Рисунок 4.3 - Зависимость выхода по току от плотности тока

а – температура, б – плотность тока, в – МПР, г – криолитовое отношение

Рисунок 4.4 – Лабораторные исследования влияния некоторых факторов на выход по току

Состав электролита

Большое влияние на выход по току оказывает состав электролита, особенно криолитовое отношение (рис. 4.4 г).

Старое правило для электролизёров гласило, что сумма добавок в электролит не должна превышать 12% (масс.). Однако это положение применимо к электролизёрам с большим интервалом питания и слабым процессом управления. Для современной практики электролиза, когда используется АПГ и надежная АСУТП, применимо другое правило: сумма добавок в электролит не должна превышать 17% (масс.).

Влияние AlF₃.Уменьшение криолитового отношения приводит к уменьшению растворимости алюминия, т.е. увеличивает выход по току за счёт уменьшения скорости протекания обратной реакции. При концентрации AlF₃ от 4 до 12,5% (масс.), каждый 1% увеличения выхода по току обеспечивается при увеличении содержания AlF₃ на 2,5% (масс.).

Избыток фтористого алюминия уменьшает разряд ионов натрия на катоде, снижает растворимость алюминия в электролите и температуру плавления электролита. Все это благоприятно влияет на выход по току. Однако работа на сильнокислых электролитах (КО=2,3-2,05) имеет и существенные недостатки: AlF₃ увеличивает электросопротивление и летучесть электролита и снижает растворимость в нем глинозема.

Влияние концентрации глинозема на выход по току оценивается очень неоднозначно, но большая часть исследователей склонна считать, что рост концентрации глинозема увеличивает выход по току. Оптимальной признается концентрация Al₂O₃ около 2,5%.

Добавкиулучшают физико-химические свойства электролита, что благоприятно влияет на выход по току:

- MgF₂ и CaF₂ снижают температуру плавления электролита, его летучесть и уменьшают потери алюминия вследствие его меньшего растворения. Отрицательное влияние их - в уменьшении электропроводности электролита, увеличении его плотности и снижении растворимости в нем глинозема.

- LiF очень эффективно увеличивает электропроводность электролита и снижает температуру ликвидуса, ≈ 9 °С на каждый 1% LiF. Рост выхода по току обеспечивается за счет понижения рабочей температуры и увеличения МПР без повышения напряжения на электролизёре. Применение литиевых электролитов экономически выгодно на старых ваннах, если ставится задача повышения их производительности. На современных электролизёрах высокие показатели достигаются и без применения литийсодержащих электролитов, а на мощных электролизёрах выход по току уменьшается с увеличением концентрации LiF.

- NaCl, ВаCl₂ и MgCl₂ также снижают температуру плавления электролита, повышают его электропроводность, снижают вязкость и расход фтористых солей и анодной массы. Однако значительно снижается растворимость глинозема в электролите и происходит коррозия анодной ошиновки под действием газообразных хлоридов.

Влияние примесей,поступающих с сырьем: окислов железа, кремния, меди, фосфора, ванадия, сульфаты и др., изучалось многими исследователями, как на промышленных ваннах, так и в лабораторных условиях. Механизм влияния примесей на выход по току не до конца изучен, но сильнее других на выход по току влияют соединения фосфора.

Таблица 4.1 – Влияние примесей фосфора на выход по току

Размеры в процентах

Часть примесей металлизируется, т.е. образует с алюминием сплав, часть – испаряется в виде фторидов. При применении сухой газоочистки, они возвращаются с вторичным глиноземом и ухудшают сортность металла. Влияние этих примесей подробно рассмотрено в п. 3.5.

Можно выделить три категории электролизёров, для которых стратегия выбора состава электролита различна:

1) для современных электролизёров с обожжёнными анодами на силу тока 200-350 кА, с высоким выходом по току 94-96%, рекомендуемый состав электролита: 11-13% избытка AlF₃ и 3,5-6% CaF₂;

2) для модернизированных электролизёров на силу тока 100-200 кА, с выходом по току ниже 94% рекомендуется состав электролита выбрать между высоким избытком AlF₃ и добавкой LiF.

3) для старых электролизёров с силой тока ниже 100 кА, с выходом по току ниже 92%, рекомендуемый состав электролита: избыток AlF₃ ниже 8%, в некоторых случаях добавки LiF.