Фрагмент для ознакомления
2
1 ОБЗОР ПО ТЕМЕ «ЭЛЕКТРОЛИТ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЁРА»
1.1 Актуальность исследования системы
Прошло более 130 лет с момента изобретения процесса Холла-Эру для электролитического производства алюминия [1], однако поиск и разработка новых энергоэффективных методов все еще является актуальной темой ис-сследований. Одним из перспективных направлений является электролитиче-ское производство алюминия при низкой температуре в ячейках с вертикаль-ным или горизонтальным электродами [2–4]. Вертикальные электроды могут повысить производительность промышленных клетей, тогда как низкие тем-пературы позволяют ученым использовать инертные катоды и аноды, выделя-ющие кислород при электролизе [5–8].
Несмотря на то, что низкая температура и использование кислород-выделяющих анодов увеличивают напряжение на ванне, разработанные мето-ды кажутся перспективным в силу экономической эффективности и экологич-ности. Результаты лабораторных испытаний электролиза при силе тока до 1000 А подтверждают этот вывод [9–12].
Возможность использования электролитов на основе KF-AlF3 и пред-ложенных кислородно-выделяющие аноды для производства алюминия около ста лет назад. В частности, проведены электролизные испытания с использо-ванием металлов (Fe, Cu, Ni) в качестве анода и графита в качестве катодов.
1.2 Состояние исследования
Многие описанные в литературе методы не перспективны из-за разру-шения таких анодов при традиционном электролизе с графитовыми катодами в низкотемпературном KF-AlF3 расплаве. Производство алюминия с исполь-зованием электролиза легкоплавких электролитов активно изучается с 1990-х годов из-за прогресса материаловедения и новых экологических требований для промышленных технологий.
Рассмотрим наиболее перспективный процесс. В результате многочис-ленных лабораторных исследований были выбраны KF-AlF3 и KF-NaF-AlF3 электролиты с относительно высокой растворимостью Al2O3. Смачиваемый катод TiB2 (или C-TiB2) и аноды, выделяющие кислород (сплавы CuFe-Ni и Cu-Al, композиты на основе оксидов металлов) выбраны как наиболее подхо-дящие электродные материалы. В ряде работ описано влияние анодной [13] и катодной [19] плотности тока на устойчивость электролиза и качество полу-чаемого алюминия.
Кроме того, увеличение катодной плотности тока выше 0,45–0,5 А см–2 при 750 °С приводило к образованию твердой соли отложения на катодах и значительному снижению выхода по току (CE). Для выбора требуемых пара-метров стабильного электролиза в легкоплавких электролитах необходимо всесторонне изучить кинетику электродных процессов и изменение физико-химические свойства расплава в приэлектродных слоях при электролизе. В частности, процессы массопереноса в расстояние анод-катод (ACД) должно быть изучено более подробно.
Интерес к этим расплавам можно объяснить и тем, что они одинаково хорошо подходят как для алюминия, так и для производства алюминиевых лигатур, а также для переработки отработанного катализатора. В ходе прове-дения практики рассмотрены процессы, происходящие на электродах и в про-цессе массопереноса в расстоянии анод-катод при электролизе низкотемпера-турных расплавов на основе KF-AlF3. Имеющиеся данные как по электрод-ным процессам, так и по физико-химическим учитывают свойства исследуе-мых расплавов.
1.3 Электролизные испытания.
В ходе прохождения практики я рассмотрел результаты нескольких различных испытаний, связанных с низкотемпературным электролизом алю-миния. Роль массообменных процессов в анодно-катодном пространстве яв-ляется наиболее значимой при электролизе в низкотемпературных расплавах на основе KF-AlF3 и NaF-AlF3. Методы стационарной поляризации и вольт-амперометрии применены для изучения кинетики электродных процессов на графитовом и металлическом электродах в системе KF-AlF3 -Al2O3 расплавов, также подобраны параметры электролиза. На основе электрохимических ис-пытаний предложены схемы электродных процессов, проанализированы по-токи веществ в промежутке анод-катод и выявлены основные причины сни-жения катодного выхода по току при низкотемпературном электролизе в си-стеме KF-AlF3-Al2O3 и расплавы KF-NaF-AlF3-Al2O3. Выявлено, что катодная плотность тока не должна превышать 0,4–0,55 А·см– 2 при электролизе при 750–800 °С.
2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Осаждение алюминия из расплавленной соли
Современная электролизная ячейка появилась в процессе длительного развития. Схематическое изображение ячейки показано на рис. 1.
Рисунок 1. Вид электролизера алюминия, в котором (1) алюминий со-бирается в виде жидкого металла на дне электролизера (2) на угольном като-де, (3) регулируемые по высоте графитные аноды реагируют с оксидом алю-миния с образованием CO/ CO 2 , (4 и 5) контактные рейки рассчитаны на то-ки до 180 000 А, (6) зарядка производится конструкцией в середине ячейки, и (7) жидкий алюминий регулярно отсасывается.
Электролиз проводят при напряжении 4–5 В и силе тока от 100 000 до 180 000 А. Для производства 1000 кг алюминия требуется 13,5 МВт·ч элек-троэнергии.
В расплаве часть криолита диссоциирует на Na3AlF6↔3Na++AlF63−
Оксид алюминия и ионы в криолитовом расплаве образуют оксифто-ридные комплексы, например,
Al2OF62,Al2OF84−,Al2OF106−, or Al2O2F42−
Из кинетических экспериментов был выведен следующ
Показать больше
Фрагмент для ознакомления
3
4 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Коростелев И.Н., Пискажова Т.В., Проворова О.Г., Синельников В.В. Разработка методики использования критерия устойчивости Бояревича–Ромерио в алгоритмах АСУТП электролиза алюминия // Вестник КрасГУ. Се-рия Физ.-матем. науки. 2005, Вып 3. – С. 118-124.
2. Белолипецкий В.М., Пискажова Т.В., Емельяшин М.В. Тепловая динамическая модель для управления технологией электролиза алюминия // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. М.Ф.Решетнева. 2006. Вып. 5 (12). С. 19-24
3. Berezin A.I., Isaeva L.A., Belolipetsky V.M., Piskazhova T.V., Sinelnikov V.V. A model of Dissolution and Heating of Alumina Charged by Point-Feeding System in «Virtual Cell» program // Light Metals. – 2005. – Р. 151-156.
4. Yurkov V.V., Mann V.C., Piskazhova T.V., Nikandrov K.F. Virtual Aluminum Reduction Cell // Light Metals. – 2001. – Р.1259.
5. Манн В.Х., Юрков В.В., Пискажова Т.В., Требух О.А., Никандров К.Ф. СВИДЕТЕЛЬСТВО об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003612185 «Стабилизация состава электролита на базе математической модели», РОСПАТЕНТ 23.09.2003.
6. Thonstad, P. Fellner, G. M. Haarberg, J. Hives, H. Kvande, and A. Sterten, Aluminium Electrolysis. Fundamentals of the Hall-Heroult Process. 3rd ed. (Dusseldorf)(Aluminium-Verlag Marketing & Kommunikation GmbH) (2001).
7. T. R. Beck, C. M. MacRae, and N. C. Wilson, Metall. Mater. Trans. B, 42, 807 (2011).
8. A. Yasinskiy, A. Suzdaltsev, S. K. Padamata, P. V. Polyakov, and Y. Zaikov, TMS Light Metals, 2020, 626 (2020).
9. Y. Zhu, Y. He, and D. Wang, Electrochem. Solid-State Letters, 14, E25 (2011).
10. Y. Xu, Y. Li, J. Yang, S. Sang, and Q. Wang, Metall. Mater. Trans. B, 48, 1763 (2017).
11. H. Xiao, R. Hovland, S. Rolseth, and J. Thonstad, Metall. Mater. Trans. B, 37, 185 (1996). 7. A. A. Kataev, K. R. Karimov, Y. B. Chernov, N. P. Kulik, V. B. Malkov, B. D. Antonov, E. G. Vovkotrub, and Y. P. Zaikov, Rus. Met. (Metally), 2010, 689 (2010).
12. S. Helle, M. Tresse, B. Davis, D. Guay, and L. Roue, J. Electrochem. Soc., 159, E62 (2012).
13. A. I. Belyaev and Y. E. Studentsov, Legkie Metally, 3, 17 (1937).
14. D. Liu, Z. Yang, W. Li, S. Qiu, and Y. Luo, Electrochim. Acta, 55, 1013 (2010).
15. A. F. L. Camera, TMS Light Metals, 1989, 1095 (1989).
16. T. R. Beck, TMS Light Metals, 1994, 89 (1994).
17. J. Yang, J. N. Hryn, B. R. Davis, A. Roy, G. K. Krumdick, and J. A. Pomykala Jr, TMS Light Metals, 2004, 321 (2004).
