10. Факторы, способствующие повышению выхода по току и производительности электролизера

Приведенные выше сведения по электрохимии криолитоглиноземных расплавов показывают, насколько сложен механизм протекания этого процесса и от скольких факторов он зависит. В конечном счёте, два показателя (выход по току и удельный расход электроэнергии на единицу произведенного металла) можно считать определяющими в оценке эффективности работы электролизера.

Если ставится задача повысить выход по току, то это означает, что должна быть максимально подавлена реакция окисления растворенного алюминия

2Al(раств) + 3СО₂ (газ) = Al₂O₃ (раств) + 3СО (газ).

Использование кислых и модифицированных электролитов снижает растворимость алюминия и тормозит развитие этой реакции. Скорость протекания ее сокращается также со снижением интенсивности массопереноса в электролите работающего электролизера. В этом отношении весьма положительно влияет умеренная вязкость и низкая плотность электролита.

Температура и перегрев электролита всегда являются важным фактором. Обычная температура электролита 950-960^оС. С повышением температуры выход по току падает, т.к. возрастает растворимость алюминия за счет большего взаимодействия с солевой фазой.

По данным а.и.Беляева, повышение температуры электролита на каждые 2^оС (в пределах 948-959^оС) приводит к снижению выхода по току на 1%. D.Whitfield, B.Welch и др. (Comalco) установили, что снижение выхода по току при росте температуры составило 0,63% /ºС, по другим данным 0,29% /ºС (K.Grjotherm). Эта зависимость может несколько меняться для того или иного типа электролизёра и особенностей технологии, однако характер влияния температуры на выход по току сохраняется. Отсюда возникает важное для заводской практики правило – работать при возможно низкой температуре электролита. Однако чрезмерное снижение температуры может вызвать недопустимое повышение вязкости, а также образование глиноземных осадков.

Одним из важнейших факторов, определяющих растворимость и потери алюминия, является межфазное натяжение на границе между алюминием и электролитом: чем выше межфазное натяжение, тем более надёжно разделение двух фаз и меньше перенос металла через границу раздела в электролит.

Межфазное натяжение (при к.о.<2,8) быстро возрастает при увеличении содержания в электролите фтористого алюминия. Добавки солей Ca и Mg не только увеличивают межфазное натяжение на границе электролит-алюминий. Более электроположительные катионы этих металлов располагаются ближе к катоду и служат «электрохимическим барьером», уменьшающим вероятность разряда ионов натрия на катоде. Всё это способствует увеличению выхода по току.

Плотность тока является другим важным фактором. Очевидно, что абсолютная концентрация растворенного алюминия в электролите определяется составом, объемом и температурой электролита. При прочих равных условиях она довольно постоянна и не связана с плотностью тока. Количество же алюминия, выделяющегося на катоде, возрастает пропорционально силе (плотности) тока.

В силу этого с увеличением плотности тока выход по току возрастает и должен приближаться к 100%. Однако из-за развития негативных факторов (рост температуры электролита в междуполюсном пространстве, увеличение конвекции электролита и др.) конечное значение выхода по току соответственно снижается. В этой связи можно выделить два типа технологии: энергосберегающая (высокий выход по току, низкий расход электроэнергии при относительно низкой анодной плотности тока) или интенсифицированная с более высокими энергетическими издержками (большая производительность электролизёров за счёт повышенной плотности тока).

Второй тип технологии находит всё большее распространение, как в нашей стране, так и за рубежом. Однако для успешного её применения требуется выполнить весь арсенал мероприятий, направленных на освоение оптимального состава электролита, регулирование процесса электролиза и поддержания теплового баланса алюминиевой ванны, что позволит сохранить высокие выхода по току.

Технологи стремятся также иметь повышенную катодную плотность тока. Для этого создаются бортовые настыли и гарнисажи и, тем самым, сокращается площадь зеркала металла. Поверхность зеркала металла при правильно сформированном рабочем пространстве ванны соответствует площади анода, а анодная и катодная плотности тока близки по значению. Это означает, что отсутствуют утечки тока и работа ванны в «борт», снижается плотность горизонтальных токов и т.д. По данным Г.А.Абрамова, зависимость выхода по току от катодной плотности тока изменяется следующим образом:

dкат, А/см² η _t, %

0,41 59,4

1,02 75,5

1,22 80,2

Что касается влияния междуполюсного расстояния на выход по току, то оно вполне объяснимо с позиции растворимости алюминия в электролите и механизма потерь катодного металла. При увеличении междуполюсного расстояния возрастает барьер между источником растворяемого металла и местом его окисления. Абсолютные потери снижаются, а выход по току возрастает. По данным Г.А.Абрамова и Л.П.Ложкина, полученным на ячейке с

d_а = 1,02 А/см², эта зависимость выглядит следующим образом:

МПР, см  _t, %

0,5 45,6

3,0 73,6

7,0 86,0

Однако это не значит, что МПР можно повышать без ограничений. Падение напряжения в электролите прямо пропорционально значению МПР и плотности тока. Поэтому неоправданное увеличение МПР, также как и плотности тока, будет вести к дополнительному расходу электроэнергии. В самом же междуполюсном зазоре электролит будет перегреваться и рост его температуры начнёт тормозить эффект увеличения МПР. Поэтому можно говорить о подборе оптимального значения как МПР, так и плотности тока. На промышленных электролизерах МПР поддерживается в пределах 4,5-6,5 см.

Можно сказать, что нарабатывает алюминий только та часть тока, которая проходит через электролит от анода к катоду. Другая, меньшая часть тока может теряться в результате утечек и коротких замыканий. К ним относятся утечки тока в землю через нарушенную изоляцию ошиновки и металлических частей конструкции электролизера, при появлении «мостиков» между соседними электролизерами, при замыкании анода и катода и др.

Короткие замыкания анода и катода являются результатом волнения поверхности металла, вызванного МГД-нестабильностью ванны. Особенно вредно занижение МПР, когда высота волны за счёт указанных выше явлений становится соизмеримой с МПР. Для предотвращения раскачивания металла и ликвидации замыкания анода и катода необходимо принять меры, достаточно подробно изложенные в разделе 6.5.

Доля основных составляющих потерь выхода по току (по Хаглену) может быть представлена в следующем виде (таблица 1.1).

Таблица 1.1