Разработка состава низкотемпературного электролита для проведения электролизера с инертными анодами

ВВЕДЕНИЕ 5
1 Электролиты алюминиевых электролизёров 6
1.1 Описание процесса Эру-Холла 6
1.2 Свойства электролитов на основе натриево-криолитовых систем 10
1.2.1 Температура ликвидуса электролитов промышленного состава и низкотемпературного калиевого электролита 12
1.2.2 Растворимость глинозема 12
1.2.3 Плотность 13
1.2.4 Давление паров 14
1.2.5 Поверхностные свойства 15
1.2.6 Электропроводность 19
1.2.7 Вязкость 20
1.3 Требуемые физико-химические свойства электролитов, их влияние на эффективность процесса. Влияние добавок к криолиту на свойства электролита 22
1.4 Недостатки процесса Эру-Холлу и предлагаемые пути модернизации процесса 23
1.5 Технология с инертными анодами (ИА) 24
1.6 Модифицирование составов электролита. Предлагаемые низкотемпературные составы электролитов. 26
2 Методы проведения экспериментов и анализов 37
2.1 Методы описания свойств электролитов 37
2.1.1 Метод термического анализа по кривым охлаждения, измерение температуры ликвидуса и солидуса, построение фазовой диаграммы 40
2.1.2 Проведение измерений температуры ликвидуса (солидуса) 42
2.1.3 Методика определения температуры ликвидуса 43
2.2 Методики определения фазового и элементного составов образцов гарнисажа 45
2.2.1 Методика проведения рентгенофазового анализа 45
2.2.2 Методика проведения рентгеноспектрального анализа 46
3 Специальная часть 47
3.1 Результаты проведённых испытаний 47
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 51
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 52

Весь текст будет доступен после покупки

Разработка эффективных и экологически безопасных процессов электролиза алюминия является одной из важных задач в современной промышленности. Электролиз алюминия широко применяется для производства металла в больших масштабах, и его эффективность и экономичность играют решающую роль в конкурентоспособности данного процесса. Одним из ключевых элементов в электролизере, используемом для процесса электролиза алюминия, является электролит. Электролит выполняет важные функции, обеспечивая проводимость электрического тока и транспорт ионов в процессе электролиза. При этом выбор электролита имеет большое значение, так как его свойства напрямую влияют на эффективность и стабильность процесса электролиза алюминия. Одним из наиболее важных и даже необходимых условий разработки электролизеров с инертным анодом является определение состава низкотемпературного электролита, удовлетворяющего многим поставленным требованиям: температура ликвидуса, и т.д..
Разработка состава низкотемпературного электролита для электролизера с инертным анодом представляет собой сложную задачу, требующую учета множества факторов, таких как химическая стабильность, электропроводность, плотность, вязкость, растворимость и скорость растворения глинозема, растворимость металла в нем, а также экономическая целесообразность.
Традиционно в процессе электролиза алюминия применяют высокотемпературные электролиты на основе криолита. Однако такие электролиты имеют ряд недостатков, включая высокую температуру работы (950°C), высокую энергозатратность, непригодность для использования инертного анода и проблемы с загрязнением окружающей среды.
Для преодоления этих ограничений и повышения эффективности процесса электролиза, исследователи сосредотачивают свое внимание на разработке низкотемпературных электролитов с инертным анодом. Такие электролиты должны обладать хорошей электропроводностью и стабильностью в широком диапазоне температур.
Одним из требований к низкотемпературному электролиту является его химическая стабильность. Во время процесса электролиза алюминия происходят различные химические реакции, которые могут влиять на стабильность электролита. Другим важным фактором является электропроводность электролита. Чтобы обеспечить эффективный транспорт заряда между катодом и анодом, электролит должен обладать высокой электропроводностью. Плотность, вязкость, растворимость и скорость растворения глинозема также являются важными параметрами, которые нужно учитывать при разработке низкотемпературного электролита.

Весь текст будет доступен после покупки

1.1 Описание процесса Эру-Холла

Промышленное производство первичного алюминия осуществляется электрохимическим способом по технологии Эру-Холла, сущность которой заключается в электрохимическом восстановлении глинозема (Al2O3), растворенного в натриевом криолите (Na3AlF6), являющимся основой электролита промышленных ванн. В настоящее время процесс Эру-Холла является единственным промышленным методом производства алюминия [1], однако имеет ряд существенных недостатков, которые будут описаны ниже.
Электролизер представляет собой неглубокую шахту, заполненную электролитом, в которую опущен анод из углеродистого материала. Схема электролизёра показана на рисунке 1.
Упрощенно, в стандартной электролизной ванне один или несколько угольных анодов находятся погруженными в электролит, а кислород, содержащийся в глиноземе, электролитически окисляется на аноде, образуя промежуточный продукт. Однако кислород незамедлительно реагирует с углём анода, что приводит к постепенному истощению углерода анода и образованию углекислого газа.
В электролизёре под электролитом находится «лужа» жидкого алюминия, уровень которого составляет 15-45 см, содержащаяся в предварительно изготовленном угольном контейнере с изоляционными материалами, который находится внутри стального кожуха. Уровень электролита в ваннах обычно сильно не меняется и составляет около 20 см. Электролит выступает в роли растворителя глинозема, также обеспечивает физическое разделение процесса, при котором алюминий производится на катоде, а оксид углерода CO2 выделяется на аноде. Электролиз происходит в тонком слое электролита, который находится между поверхностью алюминия, выступающего в качестве катода, и поверхностью угольного анода. Таким образом, общая химическая реакция может быть записана в виде:

?2Al?_2 O_(3(раств.))+?3C?_((т))=?4Al?_((ж))+?3CO?_(2(г)). (1.1)

Криолит (Na3AlF6) в качестве основы современного электролита имеет несколько преимуществ:
1 Хороший растворитель глинозема: Криолит служит относительно хорошим растворителем глинозема, необходимого для процесса получения алюминия.
2 Хорошая электропроводность: Криолит обладает хорошей электропроводностью, что способствует эффективному протеканию электролизного процесса.
3 Приемлемая температура плавления: Криолит имеет приемлемую температуру плавления, что облегчает поддержание необходимой температуры в процессе электролиза.
4 Минимальное взаимодействие с алюминием и углеродом: Криолит обладает свойством минимального взаимодействия с алюминием и углеродом, что способствует более стабильному и эффективному процессу электролиза.
5 Образование текучего расплава: Криолит способен образовывать достаточно текучий расплав, что облегчает перемещение и реакции веществ внутри электролитической ванны.
6 Низкая плотность в расплавленном состоянии: Плотность криолита в расплавленном состоянии ниже, чем плотность жидкого алюминия, что позволяет ему находиться верхней части электролитической ванны и образовывать защитный слой сверху. [2].
Электролит модифицируется добавлением фторидов алюминия (AlF3) и кальция (CaF2), а в некоторых случаях других фторидных солей (магния, лития). Пример состава производственного электролита: Na3AlF6, AlF3 (7–13 % масс), CaF2 (3–8 % масс.), MgF2 (до 3% масс.) – редко, LiF (до 3 % масс) – на старых электролизерах. Основными и главными функциями электролита являются растворениеглинозема; физическое разделение катодного алюминия и оксида углерода CO2; проведение электрического тока; участие в формировании электросодержащих материалов электролизера (корки, настыли, гарнисажа и др.).
Для поддерживания электролиза и получения одной тонны алюминия необходимо добавлять глинозём в количестве 1,890т Аl2O3/т Al [3].

Весь текст будет доступен после покупки

1 Ясинский А.С. Динамика движения анодного газа в высокотемпературной суспензии «криолитовый расплав–глинозем» / А.С. Ясинский, П.В. Поляков, А.Б. Ключанцев // М.: Металлургия цветных металлов, 2017. – C. 14.
2 Heyrman M., Chartrand P.A. Thermodynamic model for the NaF-KF-AlF3-NaCl-KCl-AlCl3 system. Light metals, 2007. – P. 519-524.
3 Борисоглебский, Ю.В. Металлургия алюминия / Ю.В. Борисоглебский, Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, М.Я. Минцис // Новосибирск: Наука, 2000. – C. 438.
4 Lillebuen, B. Current Efficiency and back reaction in aluminium electrolysis / B. Lillebuen, S. A. Ytterdahl, R. Huglen and K.A. Paulsen // Electrochimica acta., 1980. – P. 131-137.
5 Gudbrandsen, H. Field study of the anodic overvoltage in prebaked anode cells / H. Gudbrandsen, N. Richards, S. Rolseth, J. Thonstad // Light Metals, 2003. – P. 323-328.
6 Fernandez, R. Physicochemical properties of cryolite and cryolite alumina melts with KF additions / R. Fernandez, T. Ostvold // Light Metals, 1086. – P. 1025–1032.
7 Thonstad, J. Aluminium electrolysis. Fundamentals of Hall-Heroult Process. 3-nd edition / J. Thonstad, P. Fellner, G.M. Haarberg, J. Hives, H. Kvande, A. Sterten // Aluminium-Verlag. – Dusseldorf., 2001. – P. 359.
8 Chartrand P., Pelton A.D. A Predictive Thermodynamic Model for the Al-NaF-AlF3-CaF2-Al2O3 System. Light Metals, 2002. – P. 245-252.
9 Grjotheim, K. Aluminium electrolysis. Fundamentals of Hall-Heroult Process. 2-nd edition / K. Grjotheim, C. Krohn, M. Malinovsky, K. Matiasovsky and J. Thonstad // Aluminium-Verlag. – Dusseldorf, 1982. – P. 443.
10 Ginsberg H., Wefers K. Thermochemische Untersuchungen am System NaF-AlF3. Zeitschrift fuer Erzbergbau und Metallhuettenwesen, 1967. – P. 156-161.

Весь текст будет доступен после покупки