Обожженный анод

 
 

    1.3 Характеристика анодного устройства  электролизера 
 

      Анод  электролизера предназначен для  подвода тока в межполюсное пространство для осуществления процесса электролиза.

      Анодное устройство состоит из угольного анода, подъемного механизма, служащего для перемещения анода, ошиновки, штырей и опорной конструкции.

      Электролизеры вплоть до начала 1930-х годов имели  не большую мощность (6-24 кА) и оснащались одним или несколькими предварительно обожженными анодами, которые по мере сгорания заменялись новыми.

      Существенным  недостатком обожженных анодов является образование огарков, масса которых  достигает 15% от первоначальной, и их переработка представляет определенные трудности. Для ликвидации этого недостатка созданы электролизеры с непрерывными блочными обожженными анодами. Анод таких электролизеров состоит из больших угольных блоков, накладываемых один на другой и соединенных между собой угольной пастой. Ток к аноду подводят сбоку через токопроводящие стержни, которые одновременно служат для подвески анода. Этот тип анода не получил широкого распространения из-за трудностей его обслуживания, но представляет определенный интерес для совершенствования анодного узла электролизеров.

      У первой промышленной конструкции электролизера с самообжигающимся непрерывным анодом ток к нему подводился стальными штырями, забитыми в боковые стороны. Эта конструкция электролизера (БТ), непрерывно совершенствуясь, получила широкое распространение благодаря меньшим капитальным и эксплуатационным затратам по сравнению с обожженными анодами.

      Однако  трудозатраты при обслуживании анодов БТ с ростом силы ток непропорционально возрастали, что стало причиной создания новой конструкции анода, ток к которому подводился сверху через вертикальные, периодически переставляемые штыри. Как показала практика, такие электролизеры требовали меньших затрат ручного труда, а их обслуживание легче поддавалось механизации.

      Переход на электролизеры с анодами Содерберга способствовал удешевлению производства алюминия, так как исключались дорогостоящие переделы прессования и обжига анодов. Но вместе с тем появился новый источник выделения вредных веществ в атмосферу – смолистые вещества из анода.

      Параллельно с развитием конструкции электролизеров совершенствовалось и производство обожженных анодов, применение которых предпочтительнее из-за отсутствия на них выбросов смолистых веществ и меньшего расхода электроэнергии. Кроме того, одним из основных достоинств электролизеров с обожженными анодами является возможность увеличения силы тока. Именно по этим причинам подавляющее большинство зарубежных алюминиевых заводов в настоящее время оснащены электролизерами с обожженными анодами, а реконструкция некоторых отечественных заводов предполагает установку данной конструкции.

      Аноды на ваннах с обожженными анодами  утепляют, засыпая их полностью глиноземом. Поэтому перепад напряжения в  них и окисление поверхности  анода меньше, чем на СОА, что является одним из важных преимуществ этих электролизеров. На таких электролизерах продольная несущая балка обычно используется и как бункер хранения глинозема, и как станина для крепления элементов АПГ и механизмов по укрытию рабочего пространства и эвакуации газов.

      На  всех типах электролизеров анодная  рама несет всю массу анода, вместе с подъемными механизмами монтируется на опорной конструкции. На электролизерах БТ рама нагружена только анодом, а на электролизерах ВТ и ОА к ней крепится также анодная ошиновка, которая перемещается вместе с рамой. В некоторых конструкциях анодная ошиновка служит и анодной рамой.

      По  мере сгорания анода рама вместе с  анодом перемещается вниз до крайнего нижнего положения, а затем должна быть поднята вверх – эта операция на практике носит название перетяжка  анодной рамы. При выполнении данной операции анод должен оставаться на месте.

      Следует отметить, что увеличение шага перетяжки  рамы на любой конструкции токоподвода  приводит к увеличению потерь электроэнергии в токоведущих элементах, но снижает  трудозатраты на проведение операции.

      Электролизеры ОА имеют следующие преимущества перед электролизерами с СОА:

• падение напряжения в аноде меньше на 50-200 мВ по сравнению с анодами БТ и ВТ соответственно;
• меньше габариты и ниже стоимость электролизеров, легче и дешевле строительные конструкции;
• более высокая анодная плотность тока и съем металла с единицы площади анода и катода;
• расход анода составляет 430-475 кг/т алюминия (без огарков) против 515-560 кг/т алюминия на электролизерах СОА;
• более высокий выход по току и меньше расход электроэнергии;
• меньше объем отходящих газов и отсутствие в них смолистых соединений;
• выше качество металла.

К недостаткам  электролизеров ОА следует отнести:

• более высокую стоимость обожженных анодов, ем анодной массы;
• сложность переработки анодных огарков;
• необходимость значительных капиталовложений в производство ОА;
• регулирование МПР не одного блока, а многих.

 
 
 
 

    1.4 Основные электродные реакции  процесса электролиза алюминия 

    1.4.1 Катодные реакции 

      Единственным “свободным” катионом в электролите является катион натрия (остальные связаны в относительно прочные комплексы). Напряжение разложения фторида и оксида натрия меньше, чем соответствующих соединений алюминия, поэтому ионы натрия, хотя и переносят ток в объеме расплава, т.е. расплав в этом слое имеет более высокое криолитовое отношение. Основные катодные реакции

    

,

    

. 

    1.4.2 Анодные реакции 

      При промышленных плотностях тока в расплавах  с высокой концентрацией глинозема разряжается комплексный ион, в котором содержится больше ионов кислорода

      

      При малых концентрациях глинозема (1-2% по массе) преобладает реакция

      

      Таким образом, прианодный слой имеет более  кислый состав, чем основной объем расплава, несмотря на то, что этот слой перемешивается анодными газами.

      Для катодного процесса выделяются некоторые  стадии:

• диффузии (доставки) комплексных ионов алюминия;
• распада комплексов;
• разряда иона Al³⁺ до металла.

      Сумму значений перенапряжений и теоретического напряжения разложения называют напряжением разложения или обратной ЭДС. Она составляет приблизительно 1,5 В для электролизера с анодом Содерберга и 1,65 В у электролизеров с обожженными анодами. 

      1.4.3 Анодный эффект 

      При малой объемной концентрации Al₂O₃ (около 1,5% по массе) электролизер вынужден частично разряжать ионы фтора. Обеднение прианодного слоя вызывает рост напряжения, который можно наблюдать за несколько минут перед наступлением анодного эффекта, внешним проявлением которого является рост напряжения до 25-70 В. В результате, происходит образование фторуглеродов по реакциям

      Na₃AlF₆ + 0,75C = Al + 0,75CF₄ = 3NaF,

      Na₃AlF₆ + C = Al + 0,5C₂F₆ + 3NaF.

      Выделяющиеся  при анодном эффекте CF₄ и C₂F₆ вносят существенный вклад в глобальное потепление климата. Эти два газа влияют на потепление климата в 6500 и 9200 раз больше, чем СО₂. Для электролизеров с самообжигающимися анодами количество CF4 составляет 0,2-1,0 кг/т алюминия, а для ванн с обожженными анодами и точечным питанием 0,05-0,3 кг/т алюминия. Технологическая политика всех компаний заключается в уменьшении продолжительности и числа анодного эффекта. 

      1.4.4 Выход по току 

      Одной из главных причин, приводящих к  потерям электричества и, следовательно, к снижению выхода по току является реакция взаимодействия растворенных в электролите алюминия, натрия и углекислого газа. На реакцию, приводящую к образованию алюминия, накладывается реакция окисления части металла углекислым газом.

      0,5Al₂O_3(раст) + 0,75C_(тв) = Al_(ж) + 0,75CO_2(г),

      

.

      Суммируя  их, получим общее уравнение

      

.

      Главные компоненты анодных газов – углекислый газ СО₂ и оксид углерода СО. Из последних реакций следует, то доля СО₂ в анодных газах Х зависит от выхода по току и приближенно описывается зависимостью, которая называется уравнением Пирсона – Ваддингтона

      

.