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° 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 º C

Рисунок 4.1 Зависимость выхода по току от температуры электролита

Оптимальная температура электролита 950-965 °С. И перегрев электролита, и снижение его температуры приводят к нарушению нормальной работы электролизёра.

Обзор показателей промышленных электролизёров показал, что можно получить 1% улучшения выхода по току при снижении температуры на 5-6 ⁰С. На сериях электролизёров на 300 кА средний выход по току составил 94, 7%, при концентрации AlF₃ в пределах 11, 7% и температуре 958 ⁰С. Однако для электролитов, модифицированных LiF, оптимальная рабочая температура может быть ниже примерно на 10 °С.

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

                            η

 

 

 

                                                              d_т, А/см²

Рисунок 4.3 - Зависимость выхода по току от плотности тока

Выход по току возрастает с повышением плотности тока, но также увеличивается напряжение на ванне (формула 4.15). С увеличением плотности тока потенциал электрода сдвигается в отрицательную сторону и происходит совместный разряд ионов алюминия и натрия, что снижает выход по току алюминии (рис. 4.3 и 4.4 б).

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

 

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

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

 

Состав электролита

Большое влияние на выход по току оказывает состав электролита, особенно криолитовое отношение.

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%.

Добавки улучшают 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

Р2О5 в глинозёме	Р2О5 в электролите	Потери в выходе по току
0, 005	0, 011	От 0, 7 до 1, 7
0, 01	0, 022	От 1, 3 до 3, 3
0, 02	0, 043	От 2, 6 до 6, 4

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, выходом по току ниже 92%, рекомендуемый состав электролита: избыток AlF₃ ниже 8%, в некоторых случаях добавки LiF.

Стабильность электролизёра

Выход по току в значительной степени зависит от магнитной стабильности электролизёра, которая оценивается " шумами" на ванне.

Форма рабочего пространства

Форма настыли определяется энергетическим балансом, а ее изменение во времени существенно влияет на выход по току. Форма и объем настыли влияет на конвекцию и зеркало металла. Крутопадающая бортовая настыль, ограниченная по проекции анода свидетельствует об оптимальной форме рабочего пространства (ФРП), которая может быть достигнута за счет следующих факторов:

- надежными тепловыми расчетами при проектировании катода;

- хорошей коркой и укрытием анода;

- соответствующим уровнем металла, что обеспечивается контролем выливки;

- тщательным технологическим обслуживанием электролизера.

⇐ Предыдущая12345678910

Поделиться: