Выход по току и по энергии при электролизе криолито-глиноземных расплавов

29.01.2017

Выходом по току называют отношение количества металла, фактически полученного при электролизе, к его количеству, теоретически ожидаемому согласно закону Фарадея (за то же время).
На выход по току при электролизе криолито-глиноземных расплавов оказывают влияние следующие факторы, температура электролита, междуполюсное расстояние, плотность тока, состав электролита, качество обслуживания ванн.
Влияние температуры. Температура электролита является наиболее важным фактором, влияющим на выход по току. Повышение температуры на каждые 10° С понижает выход по току в заводских условиях на 3—4%.
Выход по току и по энергии при электролизе криолито-глиноземных расплавов

На рис. 53 показана кривая зависимости выхода по току от температуры. Согласно этой кривой, при температуре 940° С выход по току достигает 95%. При повышении температуры до 980° С выход по току падает до 74%. Эти результаты были получены в лабораторных условиях. Аналогичные результаты дает исследование зависимости выхода по току от температуры электролита и на промышленных ваннах.
Отсюда следует, что процесс электролиза следует вести при возможно низкой температуре, не допуская перегрева электролита. Такой температурой является 940—975° С. Дальнейшее снижение температуры электролита может привести к нарушению нормальной работы ванны.
Влияние между полюсного расстояния. В алюминиевой ванне расстояние между нижней поверхностью анода и зеркалом металла на катоде называют междуполюсным расстоянием.
Зависимость выхода по току от междуполюсного расстояния при постоянной плотности тока 1 а/см2 и температуре 1000° C приведена на рис. 54, на котором видно, что с увеличением междуполюсного расстояния выход по току возрастает. Наоборот, сильное уменьшение междуполюсного расстояния (до 3 см и ниже) приводит к резкому уменьшению выхода по току. Увеличение междуполюсного расстояния до величины более 6 см, как видно на рис. 54, нецелесообразно, так как при дальнейшем увеличении междуполюсного расстояния выход по току возрастает незначительно.
С другой стороны, от величины междуполюсного расстояния зависит падение напряжения в электролите, которое может быть выражено следующим образом:
Е = ρ*D*l

где ρ — сопротивление электролита, ом. см;
D — плотность тока в электролите, а/см2;
l — междуполюсное расстояние, см.
Согласно этому выражению, с увеличением междуполюсного расстояния увеличивается падение напряжения в электролите и, следовательно, увеличивается расход электроэнергии. Поэтому с точки зрения снижения расхода электроэнергии, следует работать с малым междуполюсным расстоянием. Обычно работают с междуполюсным расстоянием 4—6 см.
Влияние плотности тока. Зависимость выхода по току от плотности тока при постоянном между полюсном расстоянии 5 см и температуре 1000° С показана на рис. 55.
Выход по току и по энергии при электролизе криолито-глиноземных расплавов

Выход по току, как видно па рис. 55, возрастает с повышением плотности тока. Кроме того, чем выше плотность тока (при данной величине тока), тем меньше размеры ванн и ниже стоимость их сооружения.
С другой стороны, с увеличением плотности тока увеличивается напряжение на ванне.
Поэтому, с точки зрения снижения расхода электроэнергии, выгоднее работать на пониженных плотностях тока.
В современной практике анодную плотность тока в зависимости от конструкции ванн принимают в пределах 17—1,1 а/см2.
Практика последних лет показала возможность значительного увеличения величины тока на действующих ваннах. Это вместе с усовершенствованием технологии процесса электролиза позволило значительно увеличить производительность действующих заводов с одновременным улучшением основных показателей процесса (выхода по току и выхода по энергии).
Влияние состава электролита. Большое влияние на выход по току оказывает состав электролита. Молекулярное отношение фтористого натрия ко фтористому алюминию в криолите равно 3.
В электролите алюминиевой ванны оно меньше трех и составляет, примерно 2,2—2,6.
Избыток фтористого алюминия уменьшает вероятность разряда ионов натрия на катоде, несколько снижает растворимость алюминия в электролите и температуру плавления электролита. Все это оказывает благоприятное влияние на выход по току.
Благоприятное влияние на выход по току оказывает добавка фтористого кальция в количестве до 7%. Фтористый кальций снижает температуру плавления электролита и позволяет вести процесс при более низкой температуре. Кроме того, он снижает растворимость алюминия в электролите, что также улучшает выход по току.
Аналогичное влияние на выход по току оказывает добавка фтористого магния.
Влияние качества обслуживания ванн. Необходимым условием достижения высоких показателей при электролизе является тщательное соблюдение технологического режима. Любое нарушение нормальной работы ванны может привести к снижению выхода по току.
Во избежание утечек тока через боковую угольную футеровку ванны футеровка должна быть защищена гарниссажем. При отсутствии последнего часть тока идет через боковую футеровку и так как разряд ионов алюминия непосредственно на угольной поверхности приводит к образованию карбида, а не металлического алюминия, то эта часть тока проходит через ванну бесполезно.
В нижней части рабочего пространства ванны боковой гарниссаж переходит в подовые настыли, которые приводят к уменьшению площади катода и повышению катодной плотности тока.
С уменьшением поверхности катода уменьшается количество металла, растворяющегося в электролите в единицу времени, и выход по току возрастает.
Положительное влияние на выход по току оказывает также высокий уровень металла в ванне. Чем больше металла в ванне, тем лучше происходит усреднение температур в ней и уменьшаются местные перегревы. Кроме того, чем толще слой металла в ванне, тем больше она может отдать тепла в окружающую среду, что позволяет работать при более высокой плотности тока. Последняя, как мы знаем, обеспечивает и более высокий выход по току.
Оптимальный уровень металла в ванне определяется технологической инструкцией в зависимости от конструкции ванны и технологического режима. В ваннах с непрерывными самообжигающимися анодами он должен быть не ниже 20—25 см, в многоанодных ваннах, где имеются лучшие условия охлаждения, уровень металла может быть ниже.
Уменьшение выхода по току может произойти также вследствие коротких замыканий анода и катода. Такие замыкания происходят через отколовшиеся куски анода, угольную пену при ее накоплении под анодом и т. п.
Угольная пена, оседая на гарниссаже ванны, делает его электропроводным, что также может вызвать утечки тока.
Выход по энергии. Под выходом по энергии обычно понимают степень использования электрической энергии при производстве данного продукта. Эта величина равна отношению теоретического удельного расхода электроэнергии к фактическому ее расходу (и часто выражается в процентах).
Однако в производственной практике при получении алюминия выход по энергии выражают несколько иначе, а именно — количеством граммов алюминия, полученных на каждый киловатт-час затраченной электроэнергии. В этом случае его определяют по формуле
ηэ = 3,35ηт/V г квт*ч,

где ηэ — выход по энергии, г/квт*ч;
ηт — выход по току, %;
V — среднее напряжение на ванне, в.
Из выражения выхода по энергии видно, что он тем выше, чем выше выход по току и чем ниже напряжение на ванне. Следовательно, борьба за повышение выхода по энергии должна идти как по пути повышения выхода по току, так и по пути снижения напряжения на ванне.
Выход по току при получении алюминия и влияние на него различных факторов мы кратко уже рассмотрели. Чем определяется величина напряжения на ванне — будет рассмотрено ниже.
Следует отметить, что по приведенной выше формуле определяется так называемый выход по энергии постоянного тока, т. е. при учете только электроэнергии, затраченной непосредственно в ванне.
Однако электростанция, подающая электроэнергию на подстанцию электролизного цеха, должна выработать больше энергии, чем ее расходуется непосредственно в ваннах. Объясняется это тем, что часть энергии переменного тока, подаваемого электростанцией, теряется в трансформаторах и ртутных выпрямителях подстанции. Поэтому, если учесть и эти потери, то выход алюминия на 1 квт*ч переменного тока будет несколько ниже, чем определяемый по приведенной формуле.
Чтобы найти выход на 1 квт*ч переменного тока, надо выход по энергии постоянного тока умножить на суммарный коэффициент полезного действия понижающей и ртутно-преобразовательной подстанций. Обычно он бывает порядка 0,92—0,94.