РАЗРАБОТКА СПОСОБА КОНТРОЛЯ ЗА ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ

Тишкин А.С.¹, Бажин В.Ю.²

¹Аспирант, ²Доктор технических наук, Профессор, Санкт-Петербургский горный университет

РАЗРАБОТКА СПОСОБА КОНТРОЛЯ ЗА ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ

Аннотация

В данной работе рассмотрен  способ измерения концентрации глинозема в криолит-глиноземном расплаве электролита при электролитическом получении алюминия. Проведено исследование по измерению зависимости постоянной составляющей напряжения в зависимости от концентрации на лабороторной установке и представлены эксперементальные результаты.

Ключевые слова: электролиз, постоянная составляющая напряжения, алюминий.

Tishkin A. S.¹, Bazhin V. Yu.²

¹Postgraduate student, ²PhD in Engineering, Professor, Saint-Petersburg Mining University

DEVELOPING A NEW WAY TO CONTROL OF THE PROCESS ALUMINUM REDUCTION PROCESS

Abstract

In this given paper the method of measuring the concentration of alumina in cryolite-alumina melt of the electrolyte alumina reduction process has been considered. Research of based on the measurement of DC voltage as a function of concentration laboratory stand has been held and experimental results has been presented.

Keywords: reduction process, dc voltage, aluminum.

В настоящее время практически весь алюминий получают электролизом криолит-глинозёмного расплава по способу Эру-Холла. Технико-экономические показатели (ТЭП) производства алюминия в значительной степени зависят от технологических параметров работы электролизёра: рабочего напряжения, уровня металла, состава электролита, температуры расплава и величины межполюсного расстояния (МПР). В промышленных условиях под воздействием различных факторов состояние электролизера может быть не стабильным, что приводит к технологическим отклонениям. Эти нарушения повышают расход электроэнергии, снижают производительность и увеличивают долю затрат ручного труда.

Предлагаемый способ контроля содержания глинозема в МПР позволяет добиться высоких технико-экономических показателей работы электролизёров: выхода по току, снижения удельного расхода электроэнергии и основных материалов.

Аппараты, в которых электрическая энергия поступает в рабочее пространство с помощью электродов, по характеру преобразования её в энергию целевых продуктов можно разделить на два типа: электропечи и электролизёры.

В электропечах электрическая энергии в основном преобразуется в тепловую по закону Джоуля-Ленца, и уже затем в результате химических реакций по законам химической кинетики образуются целевые продукты.

В электропечах в контактах электродов с материалами, находящимися в ванне печи в том числе при горении электрической дуги в прикатодной и прианодной областях последней, также имеют место электрохимические явления, но их роль в тепловом и материальном балансе невелика. Так, в фосфорных печах доля мощности, затрачиваемой на электрохимические процессы, не превышает 1-2% ото всей мощности, потребляемой печной установкой [1].

Образование продуктов электролиза происходит в результате электрохимических реакций, когда электрическая энергия по законам Фарадея переходит непосредственно в химическую на границе электродов с расплавом. В электролизерах, несмотря на то, что целевые продукты образуются в результате электрохимических реакций, мощность, затрачиваемаяй на их протекание, может быть меньше доли тепла, выделяемого в процессе электролиза. Тепло выделяется в основном в слое электролита между электродами, а также в анодах и катодах, в контактных соединениях с шинопроводами. Наличие электрохимических процессов на границе электродов с расплавом в ванне руднотермической печи сопровождается появлением в фазном напряжении постоянной составляющей, если электроды выполнены из разнородных материалов или различаются температуры в контактах [2]. В руднотермических печах в фазной цепи ток проходит между углеродистым электродом и расплавом, находящимся на подине печи, или угольной подиной. В первом случае постоянная составляющая обусловлена разной природой электродов, между которыми проходит ток, во втором случае – температурой в контактах электродов с расплавом: на поверхности углеродистого электрода она выше, чем на подине.

В линейном напряжении между токоподводящими электродами постоянная составляющая отсутствует, так как электроды выполнены из одного и того же материала и температуры на их рабочих поверхностях, т.е в контактах с расплавом, одинаковы. Зависимость величины постоянной составляющей от состава расплава, и наличия шунтирующего этот контакт дугового разряда (электрической дуги или микродуговых разрядов) позволяет контролировать как состав и температуру расплава, так и ряд других технологических параметров: глубину ванны, положение рабочего конца электрода относительно уровня расплава, степень развития электродугового процесса [3].

В электролизерах, работающих на постоянном токе, нет постоянной составляющей напряжения (здесь речь не идет о флуктуациях напряжения в МПР, обусловленных перемещениями анода и измением уровня расплава алюминия).

Общее падение напряжения на электролизёре может быть представлено в виде сумм отдельных составляющих

    (1)

где  Е_а и Е_к – равновесные потенциала анода и катода; U_па и U_пк – перенапряжение на аноде и катоде; U_эл – потери напряжения в электролите; U_а и U_к – потери напряжения в аноде и катоде; U_конт – падение напряжения ошиновки и в контактах токоподводящей линии с анодом и катодом.

В уравнении (1) значения электродных потенциалов величины постоянные, зависящие от температуры и состава расплава в соответствии с уравнением Нернста

       (2)

где  R – газовая постоянная, Т – температура на поверхности контакта электрода с расплавом, n –заряд ионов переносчиков тока, F- число Фарадея, К -  константа равновесия целевой электрохимической реакции.

При отсутствии других составляющих, кроме анодных потенциалов, падения напряжения на электролизёре, уравнение Нернста позволит контролировать состав и температуру электролита. Но наличие других составляющих, и, прежде всего падения напряжения на электролите, затрудняют использование уравнения Нернста для оценки состава электролита. Это связано с тем, что в процессе электролиза меняется расстояние между анодом и поверхностью алюминия как вследствие изменения его уровня, так и из-за расхода анода. Кроме того, электропроводность электролита может варьироваться вследствие образующихся в процессе электролиза газов и постоянном измении состава электролита, в результате испарения с поверхности и физико-химических процессов.

Если в расплав электролизера ввести дополнительный контрольный электрод  и подать переменное напряжение на участок измерения, то через специальный фильтр в этом напряжении будет выделяется постоянная составляющая напряжения, величину которой  можно будет определить только материалом этого дополнительного электрода и составом электролита.

Рассмотрим падение напряжения на участке «измерительный электрод – катод» в соседних полупериодах – U₁ и U₂,в соответствии с уравнением (1):

     (5) Значения перенапряжения, т.е величины U_па  и U_пк, на переменном токе практически равны нулю. Переменный ток способствует эффективному удалению пузырьков образующегося газа с поверхности измерительного электрода за счет их коагулирования в период измениея потенциала. Разность напряжений переменного тока между дополнительным электродом и расплавом алюминия в соседних полупериодах и есть постоянная составляющая U_пс, равная       (6) Таким образом, величина постоянной составляющей зависит только от состава электролита и его температуры, т.е     (7)

где С – концентрация основного компонента электролита –глинозёма.

Так как температура электролита меняется в достаточно узких пределах (945-965 ^оС) и контролируется при помощи переносных хромель-алюмелевых термопар, можно использовать зависимость постоянной составляющей от содержания глинозема в электролите  и оперативно управлять работой электролизера.

Для определения  концентрации глинозема в криолит-глиноземном расплаве в лабораторных условиях была собрана ячейка и подключена к измеряющим прибором по схем на рисунке 1.

Рис.1.-Электрическая схема установки измерения постоянной состаляющей напряжения: 1 - источник постоянного напряжения 4,5 В; 2 - источник переменного напряжения 12-24 В; 3 - анод;  4 - измерительный электрод

С помощью специального электрода, выполненного из электропроводного и устойчивого в агрессивной среде криолит-глиноземного расплава, на участок «электрод-катод» подается напряжение переменного тока величиной 12-24 В от разделительного трансформатора. Назначение разделительного трансформатора и сопротивления– недопущение попадания в измерительную  цепь рабочего напряжения постоянного тока. Установленный на первичной стороне разделительного трансформатора электрический фильтр выделяет постоянную составляющую, величина которой зависит от состава электролита, глинозёма. Результаты измерений представлены на рис. 2.

 

Рис. 2-Зависимость постоянной составляющей напряжения от концентрации глинозема в расплаве

Результаты исследований позволяют эффективно использовать данную зависимость для  контроля за технологическим процессом электролиза алюминия и в перспективе для разработки систем автоматического управления нового поколения. Такой подход является предпосылкой для разработки мобильного измерительного прибора – датчика измерения концентрации глинозема в электролите алюминиевого электролизера.

Литература

1. Баймаков Ю.В., Ветюков М.М. Электролиз расплавленных солей. Изд-во «Металлургия», М. 1966. 560 с.
2. Лавров Б.А., Козлов К.Б, Удалов Ю.П. Физико-химические процессы в углеродной зоне фосфорной печи // Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов электротермических производств. Докл. Научн.-техн. совещания «Дуга-2002». СПб, 2002. 221 с.
3. Педро А.А. Постоянная составляющая в напряжении электрической дуги переменного тока. «Электротехника», 1993. №3. с. 35.

References

1. Baimakov Y.V., Vetyukov M.M., The electrolysis of molten salts. Publishing house "Metallurgiya," Moscow, 1966. 560 p.
2. Lavrov B.A., Kozlov K.B, Udalov Y.P, Physico-chemical processes in the carbon phosphorus zone furnace. // Computer simulation and optimization of technological processes of electrothermal industries. Dokl. Nauchn.-Tech. meeting of the "Arc 2002". St. Petersburg, 2002. 221 p.
3. Pedro A.A, The constant component of the electric arc voltage alternating current. "Electrical Engineering", 1993. Number 3. a. 35.