Влияние электролита различного состава на удельный расход образцов обожженных анодов при электролитическом получении алюминия
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?рит о том, что реакция (1.4) преобладает при низких температурах, а вероятность реакции (1.5) в большей мере возрастает при высоких температурах.
Примерные величины вклада реакции горения на воздухе к общему расходу анода находятся в пределах 8 - 15 и 4-5 % на электролизерах с обожженными анодами и Содерберга соответственно.[2]
Обратные реакции
Электрохимически образованный СО2 может также реагировать с восстановленными частичками металла в электролите:
Al(раств) + 3CO2(газ) = 2Al2O3(раств) + 3C(пена) (1.6)
Al(раств) + 3CO2(газ) = 2Al2O3(раств) + 3CO(газ) (1.7)
Na(раств) + 3CO2(газ) = 3Na2O(раств) + 3CO(газ) (1.8)
Эти реакции не приводят к первичному расходу углерода, но они будут увеличивать расход анода на тонну производимого алюминия, так как реакции (1.6-1.8) расходуют металл, полученный электролитическим путем.
Типичный электролитический процесс включает в себя от 75 до 90 % общего расхода анода. Около 12 % от этого расхода приходится на потерю тока с металлом по реакциям (1.6-1.8). В табл. 1.1 представлены количественные показатели влияния выхода по току на дополнительный расход углерода за счёт реакции 1.8. [2]
Таблица 1.1 - Влияние выхода по току на дополнительный расход углерода
Выход по току, 098969492908886Расход углерода, кг/т Al334340347353360367373380
Пенообразование
Пенообразование - это физические потери частиц углерода с поверхности анода.
Различная реакционная способность кокса-связующего и кокса-наполнителя ведёт к избирательному окислению кокса-связующего.
В результате селективного окисления связи вещества связующего будут разрушены и в этот момент частицы отделяются от анода. Турбулентное воздействие анодных газов в пространстве расплав - анод будет способствовать отрыву слабосвязанных частиц с большей скоростью, чем если бы они отрывались под действием своего собственного веса. Этот механизм потерь называется пенообразованием и характеризуется отрывом частиц, которые уже не потребляются электрохимически и всплывают на поверхность электролита. Угольная пена образуется преимущественно за счёт окисления кокса из связующего по реакции Будуара, так как температура обжига этого кокса составляет 960-1000 оС, тогда как температура обжига кокса-наполнителя - около 1250 оС. Масса СО2, поступающая внутрь тела анода и уничтожающая кокс из связующего, зависит от объема, распределения и диаметра пор.
На рис.1.2 схематически представлен механизм селективного горения. [1]
Рисунок 1.2 - Механизм селективного горения анода
Масса пены, производимая анодом, точно не известна, однако, установлено:
) скорость реакции выгорания кокса из связующего зависит от наличия ингибиторов или катализаторов окисления по реакции Будуара. Такими веществами в анодной массе являются:
ингибиторы (бор, фосфор);
катализаторы (железо, ванадий, натрий, кальций и др.);
) скорость реакции выгорания кокса из связующего зависит от доли поверхности анода, доступной для фильтрации СО2 внутрь анода. В свою очередь, чем хуже смачивается анод электролитом, тем больше эта доля. Она увеличивается при введении в расплав фторидов лития, кальция и магния, а также с уменьшением концентрации глинозема;
) избирательность окисления кокса из связующего зависит от анодной плотности тока. Чем больше плотность тока (в промышленном диапазоне), тем равномерней расходуется анод и тем меньше выход пены. Можно полагать, что при малой смачиваемости анода электролитом плотность тока будет больше, а расход - меньше;
) частицы углерода на подошве анода достаточно слабо связаны с матрицей, в результате чего повышение скорости движения электролита и даже металла сбивает угольные частицы, переводя их в электролит;
) угольная пена образуется не только за счет отделения крупинок наполнителя после окисления кокса из связующего, но и путем производства внутри электролита по реакции:
Al(раст.) + 3CO(раст.) = Al2O3(раст.) + 3С(т) (1.9)
В результате чего получается в основном мелкодисперсный углерод;
) угольная пена поступает в электролит как валовый продукт при взаимодействии бортов анода с кислородом воздуха (выше уровня электролита), а также ниже уровня электролита при селективном окислении растворенными в расплаве кислородом воздуха и углекислым газом (плотность тока вдоль бортов анода много меньше, чем на подошве, и здесь сильнее выражена селективность окисления);
) рост температуры электролиза (и анода) повышает скорость реакции селективного окисления и, следовательно, пенообразования;
) необоснованно завышенная плотность тока в аноде увеличивает термические напряжения в композитном материале анода, приводя к развитию термических напряжений, растрескиванию анода и повышению пенообразования, как показал опыт Братского алюминиевого завода;
) сернистые коксы имеют большую окисляемость и осыпаемость. При увеличении содержания серы на 1% расход анода увеличивается на 1,2%;
) повышение зольности анодной массы на 0,1% приводит к увеличению расхода анода на 2,5-3%;
) при увеличении доли мелких фракций в аноде расход углерода увеличивается на 2,5% на каждые 10% увеличения доли мелких фракций. [3]
На рис. 1.3 представлена схема процессов, связанных с расходом углерода.
Рисунок 1.3 - Схема процессов, связанных с расходом углерода