Электролизер для получения алюминия с боковым токоподводом на силу тока 80000А (стр. 2 из 8)

Таблица 5.Алюминий фтористый технический ГОСТ 19181-78

Наименование показателей	Норма
	Высший сорт ОКП 2154350120	Первый сорт ОКП 2154350138
Потери при прокаливании, %, не более	2,5	3,5
Массовая доля фтористого алюминия (AIF3), %, не более	93	88
Массовая доля свободной окиси алюминия (AI2O3), %, не более	4	7
Массовая доля суммы двуокиси кремния и окиси железа (SiO2 + Fe2O3) , %, не более	0,3	0,4
Массовая доля сульфатов SO4 , %, не более	0,1	0,2
Массовая доля пятиокиси фосфора (Р2О5), %, не более	0,05	0,05

Добавки

- Алюминий фтористый технический ГОСТ 19181-78

- Фтористый натрий технический ТУ 113 – 08 – 586 – 86

- Сода кальцинированная, техническая ГОСТ 5100 – 85

- Магнезит ГОСТ 1216 – 87

- Фтористый кальций (шпат плавиковый) ГОСТ 29219-91

- Анодная масса ТУ 48 – 5 – 80 – 86

1.2 Обоснование состава электролита и технологических параметров

К электролиту предъявляют следующие требования:

- Электролит не должен содержать ионов металла более электроположительных, чем алюминий.

-Температура плавления электролита должна быть близкой к температуре

плавления алюминия или ниже.

- В расплавленном состоянии электролит должен иметь плотность меньше плотности алюминия, что упрощает конструкцию ванны.

- Должен хорошо растворять глинозем, чтобы не было осадка.

- Должен быть мало летучим и не гигроскопичным.

- Должен обладать высокой электропроводностью.

- Должен быть дешевым и не дефицитным.

Чистый NaF плавится при температуре 992 °С. При добавлении к нему AlF₃ температура плавления снижается, и при содержании AlF₃ 14,5% образуется эвтектика с температурой плавления 888°С. При концентрации AlF₃ 25% имеем стойкое химическое соединение криолит. При концентрации AlF₃ 37,5% образуется нестойкое химическое соединение хиолит. При содержании AlF₃ 50% образуется нестойкое химическое соединение метафторалюминат Na. Т.к. чистый AlF₃ при температуре 1260 °С возгоняется не плавясь, то дальнейшее изучение диаграммы затруднено из-за высокой летучести AlF₃.

Температура плавления криолита составляет 1010°С. При добавлении к криолиту глинозема температура его снижается примерно на 5°С на каждый 1% массы глинозема. Наиболее низкая температура плавления около 938°С получается при концентрации глинозема 14,5%. Дальнейшее увеличение концентрации глинозема приводит к резкому повышению температуры плавления смеси.

Глинозем снижает температуру плавления но имеет в нем ограниченную растворимость. При содержании глинозема 14,5% по массе образуется эвтектика с температурой плавления 938 °С. При снижении концентрации Al₂O₃ менее 1% электролит перестает смачивать подошву анода и возникает анодный эффект.

Максимальная растворимость глинозема в криолите при 1000°С составляет около 16,5% по массе, поэтому во избежание образования на подине больших глиноземистых осадков содержание Al₂O₃ в электролите поддерживают в пределах от 1 до 5 %. Следовательно, если электролит будет состоять только из смеси криолита и глинозема, то его температура при указанной концентрации глинозема будет равна 985-1005 °С. Однако это слишком высокая температура,

чтобы успешно вести технологический процесс. Температуру плавления электролита можно так же уменьшить за счет изменения криолитового отношения, т.е. увеличения содержания в нем NaF или AlF₃.

Но первый путь не желателен т.к. при увеличении содержания NaF возрастает вероятность выделения на катоде Na и как следствие снижение выхода по току.

Поэтому на практике применяют второй путь – увеличивают содержание фтористого алюминия, т.е. уменьшают криолитовое отношение. Снижение криолитового отношения на 0,1 уменьшает температуру плавления электролита на 3-5 °С. На практике криолитовое отношение поддерживают в пределах 2,5÷2,7, т.к. дальнейшее снижение его приводит к ухудшению растворения глинозема и увеличению потерь фтор солей за счет летучести.

С целью снижения температуры в электролит так же вводят добавки фтор солей: фтористого кальция CaF₂, фтористого магния MgF₂. Например 1% CaF₂ снижает температуру плавления примерно на 3 °С; 1% MgF₂ на 5 °С.

Очень эффективной добавкой для снижения температуры электролита являются соли лития, например углекислый литий Li₂CO₃, алюминат лития Li₂O· Al₂O₃. Но эти соли дороги и пока не нашли широкого применения.

Общее содержание добавок в электролите не рекомендуется увеличивать более 7-8%, т.к. они снижают растворимость глинозема и при большом содержании затрудняют ведение технологического процесса.

Летучесть электролита

Наиболее летучим компонентом является AlF₃, таким образом чем меньше

к.о. тем больше содержание AlF₃ и тем выше летучесть электролита.

Добавки глинозема снижают его летучесть. Обычно электролит перегрет на 13-15 °С по сравнению с его температурой плавления, а летучесть его незначительна. При повышении температуры плавления свыше 980 °С летучесть его резко увеличивается, поэтому вводят добавки CaF₂ и MgF₂ которые несколько снижают температуру и тем самым уменьшают летучесть.

Плотность электролита

Важным свойством электролита является его плотность. Необходимо стремиться к тому чтобы она была наименьшей, поскольку электролит в ванне находится сверху расплавленного алюминия, имеющего плотность 2,3 г/см³. Плотность криолита в твердом виде составляет 2,95 г/см³ а при температуре 1000°С 2,09 г/см³. Добавление к криолиту глинозема снижает плотность расплава. Так, при 10% Al₂O₃ плотность его равна 2,04 г/см³.

Плотность уменьшается так же при снижении КО меньше 3. В этом случае уменьшение КО на 0,1 позволяет снизить плотность примерно на 0,007 г/см³. Добавка MgF₂ изменяет плотность незначительно. Даже 10% этой соли увеличивает плотность всего на 0,03 г/см³. Но CaF₂ существенно изменяет плотность электролита: каждый его процент увеличивает плотность на 0,008 г/см³.

Плотность электролита так же зависит и от температуры. Повышение ее на каждые 10 °С уменьшает плотность на 0,01 г/см³. Причем у электролита плотность зависит от температуры в большей степени чем у алюминия.

Таким образом при температуре 1000 °С плотность Al на 10% больше

плотности электролита это обеспечивает нормальное разделение продуктов

электролизом, и упрощает конструкцию электролизера т.к. металл собирается под слоем электролита. Расплав с содержанием глинозема 5%, КО 2.4-2.6 при температуре 960 °С имеет плотность 2,11 г/см³.

При значительном снижении температуры может произойти выравнивание плотностей металла и электролита, что приведет к всплыванию алюминия, а это

не желательно т.к. нарушается технологический процесс.

Вязкость электролита

Вязкость электролита оказывает существенное влияние на расслоение

продуктов электролиза. Минимальной вязкостью обладает чистый NaF, а с увеличением содержания AlF₃ вязкость повышается. Поэтому наиболее вязкими являются кислые электролиты.

Добавки глинозема до 10% практически не изменяют вязкости. Однако дальнейшее увеличение концентрации глинозема значительно повышает вязкость электролита. Например при температуре 1000°С и содержании глинозема 17% вязкость составляет около 5 сантипуаз . Несколько большее влияние на вязкость оказывает температура, так повышение температуры на 10 °С уменьшает вязкость примерно на 3%.

Промышленные электролиты обычно имеют вязкость 3,2-3,4 сантипуаз.

Электропроводность

Это свойство оказывает большое влияние на расход энергии и температурный режим электролизера. В слое электролита имеется наибольшее падение напряжения. Для процесса электролиза нужен электролит с наибольшей электропроводностью.

Наилучшей электропроводностью обладает NaF. При температуре 1000°С его электропроводность 4,46 Ом^-1·см^-1. Для криолита эта величина составляет 2,5 Ом^-1·см^-1.

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. Нагляднее это можно посмотреть на рисунке 1-Зоны поверхностного натяжения

1-Электролит – анодные газы, 2-Электролит – анод, 3- Электролит - металл. 4-Электролит – угольная футеровка – металл.

Рисунок 1- Зоны поверхностного натяжения.

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.