Введение к работе
Актуальность темы исследования
Производство алюминия осуществляется в электролизерах Эру-Холла глинозем разлагается будучи растворенным в электролите на основе криолита (Na3AlF6) Задачей технологов является повышение производительности электролизеров, которое достигается путем увеличения плотности тока (г) и/или выхода по току {ВТ)
Повышение плотности тока означает увеличение работы диссипации, вследствие чего возможно как ухудшение некоторых технико-экономических показателей (ТЭП), так и появление различных технологических нарушений, связанных с горячим ходом ванны Для предотвращения негативных последствий необходимо либо более эффективно отводить тепло от электролизера, либо уменьшить работу диссипации путем снижения рабочего напряжения, в том числе за счет снижения анодного перенапряжения (tj) Снижение ц возможно при использовании анодов с оптимальными физико-химическими свойствами и/или при рациональном выборе состава электролита Что касается ВТ, то согласно Тарси и Вангу на него наибольшее влияние оказывает общая растворимость алюминия (САІ) в расплаве (под СА\ здесь и далее будет пониматься растворимость алюминия, натрия и других щелочных металлов в пересчете на нульвалентный алюминий) САі зависит от состава расплава и его температуры Таким образом, одним из способов увеличения производительности ванн является оптимизация состава электролита
Приемлемыми добавками в криолитоглиноземный электролит являются фториды алюминия, кальция, магния, лития и калия Поскольку влияние фторида калия на растворимость алюминия не известно, а литературные данные по влиянию других добавок на растворимость алюминия и анодное перенапряжение получены при фиксированных и высоких (около 1000 С) температурах, актуальной задачей является определение CAi и ц в промышленном диапазоне температур Современные электролизеры управляются по перегреву относительно температуры ликвидуса электролита (7-15 С), и электролиз проводится в диапазоне температур 940-965 С Поэтому в работе с целью уменьшения числа экспериментов исследовалось комплексное влияние введения в электролит выбранных добавок и соответствующего снижения температуры, необходимого для поддержания постоянного перегрева В работе выбран перегрев, равный 15 С
Электролит может быть радикально улучшен, если в качестве основы использовать литиевый криолит (ЛК), обладающий значительно большей электропроводностью, меньшими температурой ликвидуса и
плотностью при удовлетворительных растворимости глинозема и скорости его растворения Поэтому определение растворимости алюминия, анодного перенапряжения и основных технологических характеристик при электролизе электролитов на его основе представляются актуальными задачами Применение электролитов на основе ЛК позволит снизить температуру электролиза по крайней мере до 800 С, что сделает возможным промышленное использование альтернативных конструкций и технологий, таких как дренированные электролизеры или инертные аноды
Цель работы
Целью работы является определение влияния добавок фторидов алюминия, лития и калия в криолитоглиноземные расплавы на растворимость алюминия и анодное перенапряжение при постоянном перегреве и оценка эффективности применения электролитов на основе ЛК Для этого решались следующие задачи
выбор на основании анализа промышленных тенденций и литературных данных наиболее приемлемых составов электролитов,
определение влияния добавок фторидов алюминия, лития и калия на растворимость алюминия и анодное перенапряжение при постоянном перегреве электролита,
на основании полученных результатов и известных литературных данных по влиянию исследуемых добавок на физико-химические свойства криолитоглиноземных расплавов выявление наиболее перспективного состава электролита с точки зрения повышения производительности электролизеров,
выбор электролитов на основе ЛК;
определение растворимости алюминия, анодного перенапряжения, основных технологических характеристик при электролизе электролитов на основе ЛК (выхода по току, удельного расхода электроэнергии, щелочного расширения угольных материалов) и скорости испарения ЛК
Методы анализа:
газоволюмометрический анализ для определения содержания металла в пробах расплава (относительная погрешность 5%),
коммутаторный метод (для определения tf) Использованы гальваностат (обеспечивающий ток до 20 А и выходное напряжение до 10 В), коммутатор с временем выключения 0,035 мкс, запоминающий осциллограф C8-I3, цифровая видеокамера Измерения проводились в трехэлектродной ячейке с алюминиевым электродом сравнения,
метод определения ВТ по привесу массы металла,
рентгеноспектральный анализ (для определения содержания лития в алюминии и контроля состава электролита)
5) рентгенофазовый анализ (для определения состава пара ЛК)
Для контроля температуры использовали термопару типа К в ко
рундовом чехле Температура измерялась микропроцессорным регуля
тором «МИНИТЕРМ-300 31», сила тока - амперметром (клт 0,1), на
пряжение - цифровым вольтметром (кл т 0,1) Расплавы предварительно
наплавляли из солей марки ЧДА
Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются использованием надежных химических и электрохимических методов анализа, применением современных средств измерений, статистической обработкой результатов, визуальными наблюдениями и видеосъемкой
Научная новизна работы
Определены общие растворимости алюминия в криолитоглино-земных расплавах в области температур 934-966 С (при постоянном перегреве)
Для исследуемых составов электролитов получены поляризационные зависимости, описываемые уравнением вида ij = а + Ъ lg/ Определены постоянные а и Ъ Предложен механизм влияния состава электролита на анодное перенапряжение
Показано, что при снижении мольного отношения фторида натрия к фториду алюминия (КО) ниже 2,2 растворимость алюминия существенно не изменяется, но значительно уменьшается анодное перенапряжение
Установлено, что при добавлении в расплав фторида калия существенно уменьшаются растворимость алюминия и анодное перенапряжение
Предложено и обосновано использование литиевого криолита в качестве основы низкотемпературного электролита В электролитах на основе литиевого криолита с добавлением калиевого и/или натриевого криолитов определены общая растворимость алюминия и анодное перенапряжение и доказана возможность высокоэффективного электролиза Использование электролитов на основе литиевого криолита существенно снижает щелочное расширение угольных материалов Скорость испарения литиевого криолита с открытой поверхности в условиях свободной конвекции меньше, чем для промышленного электролита Паровая фаза представлена тетрафторалюминатом лития
Практическая значимость и реализация работы:
Установлено, что закисление расплава с КО 2,2 до 2,1 не оказывает существенного влияния на растворимость алюминия, но приводит к снижению анодного перенапряжения, что позволит поднять плотность тока
Введение KF в расплав значительно снижает растворимость алюминия, что должно привести к повышению выхода по току, и анодное перенапряжение, что позволит поднять плотность тока
Полученные результаты по растворимости алюминия, анодному перенапряжению, щелочному расширению, скорости испарения и основным технологическим характеристикам показывают, что использование электролитов на основе ЛК при рациональном выборе их состава может привести к повышению производительности и к увеличению срока службы электролизеров Такие электролиты будут малорасходуе-мыми и сделают возможным внедрение новых технологий производства алюминия
На защиту выносятся:
Результаты определения влияния добавок фторидов алюминия, лития и калия в криолитоглиноземные расплавы (при постоянном перегреве) на растворимость алюминия и анодное перенапряжение, и на основе полученных результатов и анализа известных данных по физико-химическим свойствам расплавов обоснование наиболее приемлемого состава электролита
Результаты определения растворимости алюминия и анодного перенапряжения в электролитах на основе ЛК с различными добавками калиевого и натриевого криолитов, относительного удлинения угольных блоков, технологических характеристик, полученных при электролизе в этих электролитах, скорости испарения ЛК и выводы относительно перспективности их применения в качестве промышленных
Апробация работы. Результаты работы представлены и обсуждены на XI Международной конференции «Алюминий Сибири 2005», г Красноярск, XII Международной конференции «Алюминий Сибири 2006», г Красноярск, в сборниках Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективные материалы получение и технология обработки» (Красноярск 2004) и Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (Красноярск 2006)
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, планировании и проведении лабораторных исследований, анализе и обработке полученных результатов, выполнении расчетов
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 статей и тезисов докладов, в т ч в журнале «Известия ВУЗов Цветная металлургия», входящим в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для публикаций основных научных результатов диссертаций
Структура работы. Материал диссертации изложен на 140 страницах, включая 53 рисунка и 20 таблиц Работа состоит из введения, трех основных глав, включая аналитический обзор, заключения и списка используемых источников (105 наименований)
