Сборник научных трудов ДонНТУ - 2012. Серия: металлургия
  Публикация №12

Оптимизация параметров электролизера для производства алюминия

Г.И. ЩЕРБАНЬ*, И.Е. ЛУКОШНИКОВ*(канд.техн.наук, ст.науч.сотр.), В.Н. БРЕДИХИН**(канд.техн.наук, ст.науч.сотр.), Д.В. ПРУТЦКОВ***(д-рхим.наук, ст.науч.сотр.), И.Ф. ЧЕРВОНЫЙ*(д-ртехн.наук, проф.), Н.А.МАНЯК*(д-ртехн.наук, проф.)
*Запорожская государственная инженерная академия, Запорожье
**Донецкий национальный технический университет, Донецк
***Государственный научно-исследовательский и проектный институт Tитана, Запорожье

УДК 661.931

Разработан метод снижения энергоемкости процесса электролиза алюминия при повышении качества его проведения, стабилизация содержания глинозёма и фторидов на оптимальном уровне. Стабилизация магнитогидродинамического режима достигается путём контроля межполюсного расстояния и удельного сопротивления электролита. Периодическая корректировка положения анода с чередованием циклов автоматической подачи глинозёма увеличила скорость циркуляции электролита, что способствует интенсификации растворения глинозёма и его равномерному распределению в электролите, более равномерному сгоранию подошвы анода и вымыванию угольной пены из-под неё. Применение измерителя величины перемещения анода, позволило определять параметры электролиза не только для ванн с домкратной, но и с тросовой подачей анода.

Ключевые слова: алюминий, глинозём, электролизёр, стабилизация, контроль, межполюсное расстояние.

Введение

При решении задачи снижения удельного расхода электроэнергии при производстве алюминия, затраты энергии на практике остаются выше теоретических расчётов. Основной причиной при этом является повышенное напряжение на ванне, состоящее из омического падения напряжения в электролите и обратной ЭДС. Рабочее напряжение на электролизёре зависит от размеров, формы и материала электродов, интенсивности конвективных потоков в расплаве, падения напряжения в самом электролите и многих других факторов. Для уменьшения падения рабочего напряжения на электролизёре при постоянной плотности тока только одно сопротивление – сопротивление расплава, может варьироваться подбором изменения межполюсного расстояния (МПР) и состава электролита, с целью уменьшения его удельного сопротивления.

На практике выход по току всегда остаётся ниже теоретически возможного из-за потерь электричества на протекание побочных электрохимических процессах и нагрев. При прочих неизменных условиях, выход по току возрастает с увеличением МПР и падает с его уменьшением (рис. 1). На промышленных электролизёрах МПР находится в пределах 45…60 мм, но с увеличением МПР выше оптимального значения выход по току растёт несущественно, а расход электроэнергии и перегрев электролита повышаются, снижая производительность электролизёра [1].

Общепринятая методика измерения МПР основана на определении расстояния между подошвой анода до границы разделения фаз «металл-электролит» основана на измерении падения напряжения в межполюсном пространстве электролизёра между помещаемым в расплав алюминия щупом, и щупом, упираемым в тело анода на уровне поверхности электролита. Данная методика характеризуется высокой погрешностью измерений, связанной с неточной оценкой границы раздела фаз и колебаниями тока на серии в момент измерений.

Влияние междуполюсного расстояния на выход по току для двух различных конструкций электролизёров

Рисунок 1 – Влияние междуполюсного расстояния на выход по току для двух различных конструкций электролизёров.

В случаях, когда конструкция электролизёра имеет домкратную систему подачи анода, используется методика определения эквивалентного удельного сопротивления (1), путём перемещения анода с последующим вычислением разности рабочего напряжения до и после перемещения анода, и делением на средний ток серии за время перемещения анода.

Использование времени в качестве величины перемещения анода, даёт большую погрешность по следующим причинам:

  • помехи, создаваемые сопротивлением газвыделяющего слоя электролита при измерении рабочего напряжения электролизёра;
  • разброс и изменение во времени параметров питающего напряжения двигателя перемещения анода, что приводит к невозможности по времени подачи судить о количестве произведённых оборотов;
  • невозможность точного определения времени перемещения анода, из-за времени, свободного хода механической передачи при подачах анода вниз или вверх;
  • разброс параметров двигателей, из-за износа узлов двигателя и частей механической передачи.

В настоящее время наиболее быстрыми методами определения удельного сопротивления электролита, являются ручные замеры температуры начальной стадии кристаллизации, реализуемые с помощью различных портативных измерительных систем [2,3]. Имея результаты измерений, по эмпирическим формулам производится расчёт состава электролита[4,5,6,7] иудельное электрическое сопротивление электролита [8,9,10,11,12]. Однако, практическое применение этих методов затруднено, т.к. электрическое сопротивление промышленных электролитов отличается от аналогичных величин, измеренных в лабораторных условиях на чистых солях. Кроме того, необходимо учитывать наличие в электролите угольной пены, взвеси Al2O3, пузырьков газа, а также примесей (Fe2О3, SiO2, P2O5, V2O5, SO42-, CuO и др.), которые поступают в электролит с исходными материалами.

Цель работы

Целью работы являлось определение межполюсного расстояния и удельного сопротивления электролита. В статическом состоянии анода определение МПР и удельного электрического сопротивления электролита возможны только путём прямых измерений. Задачей данной работы являлось разработка методики расчёта удельного сопротивления электролита и величины межполюсного расстояния в динамике, путём использования методики расчёта обратной ЭДС и общего сопротивления электролизёра [13], а так же периодических перемещений анода и измерений величины его перемещения.

Основная часть

Общее активное сопротивление электролизера представляет собой сумму

Путём использования вычисленных величин общего сопротивления электролизёра [13] и результатов измерения величины перемещения анода, производился расчет удельного электрического сопротивления электролита и межполюсного расстояния. В расчётах применялись известные для проводимых исследований величины: площадь подошвы анода Sпод.ан,площадь боковой поверхности анода Sбок.пов.ан; сопротивление газонаполненного слоя до (Rгаз1)и после (Rгаз2) подачи анода, которые были равны между собой (Rгаз1=Rгаз2); изменение температуры электролита и криолитового отношения за время между перемещениями анода. Величины Rкат и Rан не учитывались, ввиду незначительного их изменения. Величины перемещения анода измерялись и записывались следующим образом:

  • h1 – неизвестная величина МПР до первого перемещения анода,
  • h2=h1+h1 – МПР после первого перемещения анода (уч. Б, рис. 2),
  • h3=h1+h1+h2 – МПР перед новой подачей глинозёма (уч. Г, рис. 2).

Определение общего активного сопротивления электролизёра проводилось постоянно в режиме реального времени. В расчётах использовались данные точек R01, R02, R03 (до и после первого и второго перемещения анода), а также перед новой подачей глинозёма – R04 (см. рис. 2).

Характер изменения электрического сопротивления электролита можно объяснить следующим. При первой подаче глинозёма (период А) общее сопротивление электролита повышается до величины R01, вследствие медленного растворения его в электролите. Последующее снижение сопротивления электролита до величины R02 (период Б) вызвано опусканием анода для уменьшения величины рабочего напряжения. На участке периода В, при отсутствии подачи глинозёма, продолжается снижение сопротивления электролита до минимального значения R03, которое вызвано растворением глинозёма в электролите. На участке периода Г производился подъем анода до достижения величины R04. В дальнейшем (период Д) производилась новая (очередная) подача глинозёма, при этом электрическое сопротивление электролита, как и в периоде А, повышается и достигает величины R01. Последующие циклы работы электролизёра (Д и далее) аналогичны периодам А-Б-В-Г.

Изменение общего активного сопротивления электролизёра в зависимости от режима подачи глинозёма и анода

А, Б, В, Г, Д – периоды работы электролизёра; 1 – общее электрическое сопротивление электролизёра; 2 – режимы автоматической подачи глинозёма; А – период подачи глинозёма в электролизёр; Б (поз. 3) – период (режим) опускания анода; В (поз.4) – период статического положения анода (режим стабилизации); Г (поз. 5) – период подъёма анода; Д – новый период подачи глинозёма; R01,R02,R03,R04 – общее электрическое сопротивление электролизёра при изменении режима подачи анода; Rср – среднее значение электрического сопротивления электролизёра.

Рисунок 2 – Изменение общего активного сопротивления электролизёра в зависимости от режима подачи глинозёма и анода.

Величины общего электрического сопротивления электролизёра при первом и последующих перемещениях анода определялись следующим образом:

- перед первым опусканием анода, т.е. после первой подачи глинозёма

Для повышения точности определения МПР, производится пересчёт для двух значений электрического сопротивления электролизёра, т.е. при каждой новой подаче глинозёма рассчитывается новое и пересчитывается предыдущее значения сопротивления и, соответственно, новое и предыдущее значения МПР.

Выводы

Использование рассмотренного метода обеспечивает снижение энергоёмкости процесса электролиза при повышении качества его проведения, стабилизацию содержания глинозёма и фторидов на оптимальном уровне, стабилизацию магнитогидродинамического режима путём контроля межполюсного расстояния и удельного сопротивления электролита. Периодическая корректировка положения анода с чередованием циклов автоматической подачи глинозёма увеличивают скорость циркуляции электролита, что способствует интенсификации растворения глинозёма и его равномерному распределению в электролите, более равномерному сгоранию подошвы анода и вымыванию угольной пены из-под неё. Применение измерителя величины перемещения анода, позволяет определять параметры электролиза не только для ванн с домкратной, но и с тросовой подачей анода.

  • 1. Aluminum electrolysis / Grjotheim K. et al. – Dusseldorf: Aluminum-Verlag, 1982. – 271 p.
  • 2. Сенсорное устройство, для измерения температуры и способ измерения температуры ликвидуса криолитовых расплавов: патент РФ №2128826 /Ферштрекен Пауль Клемент (BE), Аэгтен Йозеф Теодор (BE). –1999.
  • 3. Способ определения температуры ликвидуса расплава электролита в алюминиевом электролизере и устройство для его осуществления:патент РФ №2303246 / А.И. Березин, С.Н. Турусов, С.И. Ножко и др. – 2007.
  • 4. Liquidus Temperatureand Alumina Solubility in the System Na3AlF6-AlF3-LiF-CaF2-MgF2 / S. Solheim, E. Rolseth, L. Skybakmoenet all. // LightMetals.– 1995.– P. 451-460.
  • 5. Peterson R.D. Liquidus Curves for the Cryolite-AlF3-CaF2-Al2O3 System in Aluminum Cell Electrolytes /R.D.Peterson, A.T.Tabereaux // Light Metals.– 1987. – P.383-388.
  • 6. Determination of Melting Temperatures and Al2O3 Solubilities for Hall Cell Electrolyte Compositions / S.S.Lee, K.-S.Lei, P. Xu, Jr. Brown // Light Metals.– 1984. – P.841-855.
  • 7. Dewing E.W.The Chemistry of the Alumina Reduction Cell/ E.W.Dewing //Can. Metallurgical Quarterly.– 1974. – Vol.13. – No.4. – P. 607-618.
  • 8. Electrical Conductivity of Molten Cryolite-Based Mixtures Obtained with a Tube-Type Cell made of Pyrolytic Boron Nitride/ J. Hives, J. Thonstad, A. Sterten, P. Fellner // Light Metals.– 1994. – P.187-194.
  • 9. Wang L. The Electrical Conductivity of Cryolite Melts Containing Aluminum Carbide/ L. Wang, A.T. Tabereaux, N.E. Richards // Light Metals.– 1994. – P.177-194.
  • 10. Wang X.W. A Multiple Regression Equation for the Electrical Conductivity of Cryolite Melts/ X.W. Wang, R.D.Peterson, A.T.Tabereaux // Light Metals.– 1993. – P.247-255.
  • 11. Density Electrical Conductivity and Viscosity of Low Melting Baths for Aluminium Electrolysis/ M. Chrenkova, V. Danek, A. Silny, T. Utigard // Light Metals.– 1996. – P. 227-232.
  • 12. Choudhary G.Electrical Conductivity for Aluminum Cell Electrolyte between 950 -1025°C by Regression Equation / G. Choudhary // Electrochem Soc. – 1973. – Vol.120. – No.3. – P. 381-383.
  • 13. Контроль обратной ЭДС и общего сопротивления алюминиевого электролизёра / Г.И. Щербань, И.Е. Лукошников, Д.В. Прутцков,идр. // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2011. – № 3/6 (51). – C. 14-17.
  Публикация №12
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ