Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СНИЖЕНИЯ АНОДНОГО ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОМ ПОЛУЧЕНИИ АЛЮМИНИЯ

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к производству алюминия электролитическим способом на электролизерах с угольными и малорасходуемыми анодами.

Преимущественно изобретение может быть использовано при производстве алюминия электролизом криолитоглиноземных расплавов. Кроме того, оно может найти применение в других процессах электролиза, где необходимо снизить анодное перенапряжение реакции.

Как известно, удельный расход электроэнергии у алюминиевого электролизера рассчитывается по формуле:

где W - удельный расход электроэнергии электролизера, кВт·ч;

U_эл - среднее напряжение на электролизере, В;

k - электрохимический эквивалент алюминия, равный 0,336 г/(А·ч);

η - выход по току, доли ед.

Напряжение электролизера (U_эл) рассчитывается по формуле:

где Е_р - напряжение разложения, В;

η_па - поверхностное анодное перенапряжение, В;

η_а - анодное концентрационное перенапряжение, В;

η_к - катодное концентрационное перенапряжение, В;

I - сила тока, А;

R - сопротивление электролизера, Ом.

Среднее напряжение на электролизере составляет около 3,8-4,5 В.

Мощность (W_пa), диссипируемая за счет анодного поверхностного перенапряжения замедленной гетерогенной химической реакции η_па и отнесенная к единице площади поверхности, находится по выражению (3):

где η_па - поверхностное анодное перенапряжение, В;

i - плотность тока, А/м².

Мощность, поглощаемая вследствие эффекта Пельтье (W_П) на границе, рассчитывается по формуле (4):

где ε - термоэлектрический потенциал, В/К;

Т - температура, К;

i - плотность тока, А/м².

При расчете общей мощности мощности W_пa и W_П умножаются на площадь поверхности анода S.

Известна конструкция анода алюминиевого электролизера, включающая металлический токоподвод и угольную часть, расходуемую при электролизе (Баймаков Ю.В., Ветюков М.М. Электролиз расплавленных солей. М.: Металлургия, 1966. 560 с.).

Недостатком такого угольного анода является наличие высокого поверхностного перенапряжения (η_па) гетерогенной реакции образования СО₂ из углерода и хемисорбированного кислорода. Величина этого перенапряжения при промышленных плотностях тока 7000-10000 А/м² составляет η_па=0,4-0,7 В. Учитывая, что среднее напряжение на электролизере составляет, как правило, более 4 В, величина η_па значительно сказывается на величине напряжения электролизера (U_эл) и, следовательно, на расходе электроэнергии (W).

Удельная мощность, выделяемая за счет анодного поверхностного перенапряжения при η_па=0,5 В, а i=10⁴ А/м², составит:

а удельная мощность, поглощаемая вследствие эффекта Пельтье при ε=10^-3 В/К, Т=1000 К:

Иначе говоря, на подошве анода алюминиевого электролизера действует холодильник большой мощности.

Наиболее близким к заявленному является способ снижения анодного перенапряжения гетерогенной реакции при помощи добавки в электролит солей лития. В частности, в [Rudolf P. Pawlek. Lithium in anodes and cathodes of aluminium electrolysis cell / Light Metals 1998. - 547-553 р.] указано, что добавки в анод карбоната лития снижают среднее напряжение электролизера на 50-63 мВ.

К достоинствам такого способа относят:

- снижение расхода электроэнергии за счет снижения анодного перенапряжения;

- повышение выхода по току.

Недостатками способа являются:

- высокая стоимость солей лития;

- повышенное образование осадков вследствие снижения растворимости глинозема.

Основная задача предлагаемого изобретения заключается в снижении анодного перенапряжения и, как следствие, в снижении удельного расхода электроэнергии на алюминиевом электролизере.

Другой задачей изобретения является компенсация поглощаемой теплоты Пельтье между анодом и электролитом.

Технический результат заключается в снижении поверхностного перенапряжения гетерогенной реакции образования СО₂ за счет дополнительного нагрева и влияния импульсов тока на кинетику электродных процессов.

Осуществить такой локальный нагрев можно путем подачи переменного тока с учетом его прохождения не по всему поперечному сечению угольной части, а по ее поверхности. Как известно, явление, когда плотность тока максимальна у поверхности проводника и минимальна в центре, называется скин-эффектом (Матвеев A.M. Электричество и магнетизм: Учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 1983. - 463 с.) и зависит от частоты тока. Характеристикой скин-эффекта является глубина проникновения тока в проводник, называемая толщиной скин-слоя. Толщина скин-слоя (Δ) рассчитывается по формуле (3) (Николаев Е.Н., Коротин И.М. Термическая обработка металлов токами высокой частоты: Учебник для техн. училищ. - 3-е изд. Перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1984. - 207 с.).

где ρ - удельное сопротивление, Ом·м;

µ - магнитная проницаемость среды, Гн/м;

f - частота питающего переменного тока, Гц.

Например, для меди толщина скин-слоя при f=10⁴ Гц равна 4 мм, а при f=10⁶ Гц Δ=0,4 мм. Для углерода при f=10^-4 Гц Δ=1 мм, а при f=10⁶ Гц Δ=0,39 мм.

Мощность (ΔР), выделяемую в расчете на площадь 1 м² за счет прохождения переменного тока, находим по формуле (4):

где - суммарный ток (называемый настил вихревого тока, приходящийся на каждый погонный сантиметр ширины поверхности).

Принимая значение суммарного тока постоянным 1000 А/м², ρ углерода равным 0,000045 Ом·м, µ углерода 0,000105 Гн/м, при различных частотах переменного тока получим следующие значения удельной мощности (таблица 1).

Для достижения поставленной цели заявляемый способ обработки поверхности угольных анодов, используемых в электролитическом способе получения алюминия, содержит следующую совокупность существенных признаков: анод алюминиевого электролизера, имеющий металлический токоподвод и расходуемую угольную часть, генератор высокочастотного переменного тока.

Совокупность указанных общих и существенных признаков дополняют, развивают и уточняют следующие частные отличительные признаки, приведенные ниже в формуле изобретения:

- частота импульсов переменного тока для достижения достаточной удельной мощности будет изменяться от 10⁴ до 10⁸ Гц;

- импульсы переменного тока имеют различную форму, длительность, амплитуду, частоту следования, а также фазовые соотношения в последовательности импульсов. Для реализации данного пункта используется специальный генератор, имеющий соответствующие возможности;

- обработка угольной части анода высокочастотным током осуществляется постоянно или периодически по заранее установленной программе, для этого предусматривается внедрение соответствующих алгоритмов управления в автоматическую систему управления (АСУ) электролизом;

- для создания скин-эффекта на поверхности угольной части анода необходимо установить один или несколько дополнительных электродов;

- подключение угольной части анода к генератору высокочастотного тока может осуществляться с помощью специальных контактов;

- генератор может быть подключен к конструкционным элементам электролизера, последние при этом должны иметь соответствующие контакты.

Для реализации п. 1 формулы изобретения в угольную часть анода устанавливается дополнительный электрод для подвода переменного тока либо используются специальные контакты или генератор высокочастотного тока подключается напрямую к конструкционным элементам электролизера. При электролизе с помощью генератора высокочастотного тока подаются импульсы, обеспечивающие скин-эффект в угольной части анода.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3.

На фиг. 1 изображена схема установки дополнительных электродов. В угольной части анода алюминиевого электролизера 1 располагаются электрод из проводящего материала 2, снабженный контактом 3, для соединения с генератором переменного тока высокой частоты, заключенный в оболочку 4 из непроводящего материала, причем последняя имеет длину, равную длине ожидаемого огарка, остальная часть электрода (нижняя часть) не закрыта оболочкой и способствует увеличению электрической проводимости в горизонтальном направлении тока.

Фиг. 2 иллюстрирует другой вариант подключения генератора. Для реализации данного варианта вместо электродов, находящихся в угольной части анода 1, используются специальные контакты 2.

Фиг. 3 уточняет варианты подключения генератора высокочастотного тока. Фиг. 3а иллюстрирует вариант подключения генератора к аноду. Электроды располагаются так, чтобы обеспечить увеличение горизонтальной составляющей тока внутри угольной части анода. В случае если необходимо подключать два и более анодов к одному генератору, используется последовательное соединение последних. Такой вариант подключения показан пунктирной линией на рисунке. Фиг. 3б показывает возможность достижения результата при подключении к другим конструкционным элементам электролизера (анодной штанге и блюмсу).

Способ иллюстрирован схемой (фиг. 2) обработки обожженных анодов высокочастотным переменным током, подаваемым с генератора высокочастотного тока.