С повышением содержания AlF3 электропроводность ухудшается. Так же большое влияние на электропроводность оказывают добавки Al2O3. При содержании глинозема 5% электропроводность электролита 2,45 Ом-1·см-1.
Добавки CaF2 и MgF2 так же несколько снижают электропроводность. Обычно промышленные электролиты несколько загрязнены угольной пеной, которая так же снижает электропроводность и нарушает токораспределение.
В практических расчетах пользуются величиной обратной электропроводности – электросопротивление. Для промышленных электролитов оно составляет 0,5 Ом.
Поверхностное или межфазное натяжение
При электролизе криолит-глиноземных расплавов поверхностное натяжение рассматривается на четырех границах:
Электролит – анодные газы.
Электролит – анод.
Электролит – металл.
Электролит – угольная футеровка – металл.
На границе 1 наибольшим поверхностным натяжением обладает NaF, он плохо смачивает электролит. AlF3 снижает натяжение и способствует лучшему удалению анодных газов – это наблюдается в кислых электролитах.
На границе 2 в щелочных электролитах смачиваемость лучше, чем в кислых – это приводит к пропитыванию анода и его разрушению.
Большое влияние на смачиваемость анода оказывает содержание глинозема в электролите. При уменьшении концентрации глинозема электролит хуже смачивает анод и при содержании глинозема менее 1% электролит перестает смачивать анод. В результате возникает анодный эффект.
Из-за разрушения анода в электролите всегда присутствует угольная пена, она легче выделяется из кислых электролитов чем из щелочных.
На границе 3 электролит – металл кислые электролиты плохо смачивают жидкий алюминий. Это положительный фактор т.к. снижается растворимость алюминия в электролите.
На границе 4 металл – угольный блок поверхностное натяжение металла большое, поэтому он не смачивает падину. Под слой металла может попасть электролит который смачивает падину хорошо, пропитывает ее и разрушает. Щелочные электролиты пропитывают падину лучше чем кислые.
Основные технологические показатели процесса
Для электролизеров с боковым токоподводом и самообжигающимся анодом выбирается следующий оптимальный состав электролита.:
Криолитовое отношение 2,5÷2,7
Содержание CaF2 5,2÷6,0%
Содержание MgF2 1,4÷2%
Суммарное содержание добавок CaF2+MgF2 не должно превышать8%. Допускается увеличение содержания CaF2+ MgF2 до 10% на электролизерах с сильным разрушением угольной футеровки и выдающих металл с повышенным содержанием железа.
4)Уровень металла после выливки не менее 28см, оптимальным считается уровень 32-34см.
5)Уровень электролита на ваннах поддерживается в пределах 16÷20 см – это обеспечивает наилучший выход по току.
6)Анодный эффект служит показателем работы электролизной ванны. Количество вспышек в сутки не должно превышать 0,5 – 2. Время гашения не более 2 минут. Напряжение анодного эффекта от 30в.
7) Рабочее напряжение 4,12-4,52
8) Температура электролита поддерживается не выше 965°С.
9) Форма рабочего пространства должна отвечать следующим требованиям, обязательное наличие горнисажей в зоне электролита, крутопадающая настыль в зоне металла и отсутствие осадка и настыли на подине под анодом.
10)Падение напряжения в подине не должно превышать 0,35в.
Оптимальное падение напряжения в подине возможно при содержании ее в чистом от осадков и коржей состоянии, при правильной форме рабочего пространства. Заниженное падение напряжения в подине свидетельствует о слабых бортовых настылях или полном их отсутствии, что отрицательно влияет как на выход по току, так и на срок службы электролизеров.
1.3 Обоснование технологических параметров
Технологические параметры выбираются исходя из влияния различных факторов на выход потоку.
Температура
При повышении температуры до оптимальной выход по току увеличивается. При достижении оптимальной температуры tопт выход по току будет максимальным и при дальнейшем увеличении температуры выход по току снижается.
Оптимальной температурой считается :
tопт = tпл + 15÷17°С
Увеличение температуры выше оптимальной приводит к увеличению растворимости алюминия в электролите и сгоранию его за счет окисления анодными газами и кислородом воздуха.
При уменьшении температуры ниже tопт увеличивается вязкость электролита, уменьшается разность плотностей металла и электролита. Из-за увеличения вязкости электролита, он хуже растворяет глинозем, и ванна зарастает осадком. Так же при уменьшении температуры ванна зарастает большими настылями, что ухудшает обслуживание электролизера.
Таким образом, температура является главным фактором, влияющим на выход по току. При повышении температуры на 10°С свыше оптимальной ηi уменьшается примерно на 3%. Не допускается работа на горячо или холодно идущих ваннах.
Плотность тока
В алюминиевом электролизере различают три вида плотностей тока:
А) dА – плотность тока в сечении анода.
Б) dК – плотность тока в сечении катода.
В) dЭ – плотность тока в сечении электролита.
Они находятся по формулам:
Где SА и SК – площади сечения анода и катода.
Плотность тока на аноде выбирается в зависимости от типа и мощности ванны и должна быть экономически выгодной. С увеличением плотности тока до оптимальной величины выход по току растет, а потери металла сохраняются на каком-то определенном уровне. Дальнейшее увеличение плотности тока приводит к увеличению температуры и увеличению потерь алюминия за счет его растворимости в электролите.
Снижение плотности тока не желательно т.к. увеличиваются размеры ванны и растут капитальные затраты на строительство электролизных корпусов. Для ванн до 100 Ка
=0,75-0,85 А/см3.Катодная плотность тока влияет на выход однозначно: выше плотность тока, выше выход по току. С уменьшением зеркала металла, т.е. поверхности жидкого металла в ванне выход по току возрастает, т.к. поверхность контакта жидкого металла и электролита уменьшается, следовательно уменьшается растворимость металла в электролите.
Влияние меж полюсного расстояния(МПР)
МПР – это расстояние между подошвой анода и поверхностью жидкого металла в ванне. Оптимальным считается примерно 5 см. С уменьшением МПР увеличивается вероятность окисления алюминия на аноде. При очень малом МПР процесс электролиза прекращается и идет интенсивное горение металла. Такая ванна называется зажатой, в этом случае электролит перестает бурлить, а выход по току становится отрицательным. При этом необходимо поднять анод и добиться бурления электролита.
При большом МПР возрастает сопротивление электролита в меж полюсном зазоре и увеличивается приход тепла в ванну.
На практике МПР примерно 4см, при этом выход по току снижается незначительно, но существует возможность увеличения силы тока.
Уровень металла
Оказывает большое влияние на выход по току. Алюминий находясь в ванне в незавершенном производстве способствует отводу тепла из под центра анода и равномерному его распределению на падине, а так же снижает вредное воздействие электромагнитных полей. В ваннах с силой тока до 100кА их влияние очень заметно и приводит к снижению выхода по току.
Для электролизеров с самообжигающимся анодом средней мощности до 100кА уровень металла после выливки 32-34см, а для мощных 36-38см.
Повышение уровня металла свыше указанных параметров приводит к появлению осадков на подине, что усложняет процесс.
Уровень электролита
Оптимальный уровень электролита для ванн с самообжигающимся анодом составляет15-17см. При меньшем уровне часть глинозема не успевает раствориться и выпадает в осадок. На вспышках электролит быстро перегревается. При большем уровне электролита анод глубже погружен. Путь тока по электролиту увеличивается, тепла приходит больше, а теплоотдача хуже.
Состав электролита
Максимальный выход по току будет наблюдаться у электролита оптимального состава. Для большинства предприятий оптимальный состав различен и зависит от типа оборудования, типа питания ванн, от мощности и от наличия добавок.
Ориентировочно в электролите с криолитовым отношением 2,7 потери металла минимальны. Добавки несколько снижают потери металла.
Влияние формы рабочего пространства
В ванне на боковых стенках должен быть защитный горнисаж толщиной от 8 до 12 см и подовые настыли круто обрывающиеся под анод. Отсутствие настылей уменьшает катодную плотность тока и выход по току. Отсутствие защитного горнисажа создает утечки тока через боковую футеровку, приводит к ее разрушению и преждевременному выходу ванны из строя. Формирование горнисажей и настылей проводится во время обработки ванны.
1.4 Описание конструкции
Основными элементами электролизера являются: катодное устройство, анодное устройство, ошиновка и металлический грузонесущий каркас со смонтированным на нем механизмом перемещения анода, шторными укрытиями, бункерами для хранения глинозема и т.д.
Катодное устройство состоит из стального кожуха, футерованного внутри угольными подовыми блоками, боковыми плитами и огнеупорными теплоизоляционными кирпичами. В нижнюю часть подовых блоков перед их установкой в электролизер устанавливаются стальные стержни(блюмсы) которые заливают чугуном. Блюмсы служат для отвода тока от подины. Швы между подовыми блоками и периферийный шов набивают холодно набивной подовой массой. К катодной ошиновке подключаются с помощью пакетов гибких медных лент стальные блюмсы катодного устройства.