Разработка способа контроля процесса электролитического получения алюминия
Рассмотрение способа измерения концентрации глинозема в криолит-глиноземном расплаве электролита при электролитическом получении алюминия. Изучение зависимости постоянной составляющей напряжения в зависимости от состава электролита и его температуры.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 06.05.2018 |
Размер файла | 83,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Санкт-Петербургский горный университет
Разработка способа контроля процесса электролитического получения алюминия
Тишкин А.С., аспирант
Бажин В.Ю., доктор технических наук, профессор
Аннотация
Разработка способа контроля процесса электролитического получения алюминия.
В данной работе рассмотрен способ измерения концентрации глинозема в криолит-глиноземном расплаве электролита при электролитическом получении алюминия. Проведено исследование по измерению зависимости постоянной составляющей напряжения в зависимости от концентрации на лабораторной установке и представлены экспериментальные результаты.
Ключевые слова: электролиз, постоянная составляющая напряжения, алюминий.
Abstract
Developing a new way to control of the process aluminum reduction process.
Tishkin A. S.1, Bazhin V. Yu.2
1Postgraduate student, 2PhD in Engineering, Professor, Saint-Petersburg Mining University
In this given paper the method of measuring the concentration of alumina in cryolite-alumina melt of the electrolyte alumina reduction process has been considered. Research of based on the measurement of DC voltage as a function of concentration laboratory stand has been held and experimental results has been presented.
Keywords: reduction process, dc voltage, aluminum.
В настоящее время практически весь алюминий получают электролизом криолит-глинозёмного расплава по способу Эру-Холла. Технико-экономические показатели (ТЭП) производства алюминия в значительной степени зависят от технологических параметров работы электролизёра: рабочего напряжения, уровня металла, состава электролита, температуры расплава и величины межполюсного расстояния (МПР). В промышленных условиях под воздействием различных факторов состояние электролизера может быть не стабильным, что приводит к технологическим отклонениям. Эти нарушения повышают расход электроэнергии, снижают производительность и увеличивают долю затрат ручного труда.
Предлагаемый способ контроля содержания глинозема в МПР позволяет добиться высоких технико-экономических показателей работы электролизёров: выхода по току, снижения удельного расхода электроэнергии и основных материалов.
Аппараты, в которых электрическая энергия поступает в рабочее пространство с помощью электродов, по характеру преобразования её в энергию целевых продуктов можно разделить на два типа: электропечи и электролизёры.
В электропечах электрическая энергия в основном преобразуется в тепловую по закону Джоуля-Ленца, и уже затем в результате химических реакций по законам химической кинетики образуются целевые продукты.
В электропечах в контактах электродов с материалами, находящимися в ванне печи, в том числе при горении электрической дуги в прикатодной и прианодной областях последней, также имеют место электрохимические явления, но их роль в тепловом и материальном балансе невелика. Так, в фосфорных печах доля мощности, затрачиваемой на электрохимические процессы, не превышает 1-2% ото всей мощности, потребляемой печной установкой [1].
Образование продуктов электролиза происходит в результате электрохимических реакций, когда электрическая энергия по законам Фарадея переходит непосредственно в химическую на границе электродов с расплавом. В электролизерах, несмотря на то, что целевые продукты образуются в результате электрохимических реакций, мощность, затрачиваемая на их протекание, может быть меньше доли тепла, выделяемого в процессе электролиза. Тепло выделяется в основном в слое электролита между электродами, а также в анодах и катодах, в контактных соединениях с шинопроводами. Наличие электрохимических процессов на границе электродов с расплавом в ванне рудно-термической печи сопровождается появлением в фазном напряжении постоянной составляющей, если электроды выполнены из разнородных материалов или различаются температуры в контактах [2]. В рудно-термических печах в фазной цепи ток проходит между углеродистым электродом и расплавом, находящимся на подине печи, или угольной подиной. В первом случае постоянная составляющая обусловлена разной природой электродов, между которыми проходит ток, во втором случае - температурой в контактах электродов с расплавом: на поверхности углеродистого электрода она выше, чем на подине.
В линейном напряжении между токоподводящими электродами постоянная составляющая отсутствует, так как электроды выполнены из одного и того же материала и температуры на их рабочих поверхностях, т.е. в контактах с расплавом, одинаковы. Зависимость величины постоянной составляющей от состава расплава, и наличия шунтирующего этот контакт дугового разряда (электрической дуги или микродуговых разрядов) позволяет контролировать как состав и температуру расплава, так и ряд других технологических параметров: глубину ванны, положение рабочего конца электрода относительно уровня расплава, степень развития электродугового процесса [3].
В электролизерах, работающих на постоянном токе, нет постоянной составляющей напряжения (здесь речь не идет о флуктуациях напряжения в МПР, обусловленных перемещениями анода и изменением уровня расплава алюминия).
Общее падение напряжения на электролизёре может быть представлено в виде сумм отдельных составляющих
(1)
где Еа и Ек - равновесные потенциала анода и катода; Uпа и Uпк - перенапряжение на аноде и катоде; Uэл - потери напряжения в электролите; Uа и Uк - потери напряжения в аноде и катоде; Uконт - падение напряжения ошиновки и в контактах токоподводящей линии с анодом и катодом.
В уравнении (1) значения электродных потенциалов величины постоянные, зависящие от температуры и состава расплава в соответствии с уравнением Нернста
(2)
где R - газовая постоянная, Т - температура на поверхности контакта электрода с расплавом, n -заряд ионов переносчиков тока, F- число Фарадея, К - константа равновесия целевой электрохимической реакции.
При отсутствии других составляющих, кроме анодных потенциалов, падения напряжения на электролизёре, уравнение Нернста позволит контролировать состав и температуру электролита. Но наличие других составляющих, и, прежде всего падения напряжения на электролите, затрудняют использование уравнения Нернста для оценки состава электролита. Это связано с тем, что в процессе электролиза меняется расстояние между анодом и поверхностью алюминия, как вследствие изменения его уровня, так и из-за расхода анода. Кроме того, электропроводность электролита может варьироваться вследствие образующихся в процессе электролиза газов и постоянном изменении состава электролита, в результате испарения с поверхности и физико-химических процессов.
Если в расплав электролизера ввести дополнительный контрольный электрод и подать переменное напряжение на участок измерения, то через специальный фильтр в этом напряжении будет выделяться постоянная составляющая напряжения, величину которой можно будет определить только материалом этого дополнительного электрода и составом электролита.
Рассмотрим падение напряжения на участке «измерительный электрод - катод» в соседних полупериодах - U1 и U2,в соответствии с уравнением (1):
(5)
Значения перенапряжения, т.е. величины Uпа и Uпк, на переменном токе практически равны нулю. Переменный ток способствует эффективному удалению пузырьков образующегося газа с поверхности измерительного электрода за счет их коагулирования в период изменения потенциала. Разность напряжений переменного тока между дополнительным электродом и расплавом алюминия в соседних полупериодах и есть постоянная составляющая Uпс, равная
(6)
Таким образом, величина постоянной составляющей зависит только от состава электролита и его температуры, т.е.
(7)
где С - концентрация основного компонента электролита - глинозёма.
Так как температура электролита меняется в достаточно узких пределах (945-965 оС) и контролируется при помощи переносных хромель-алюмелевых термопар, можно использовать зависимость постоянной составляющей от содержания глинозема в электролите и оперативно управлять работой электролизера.
Для определения концентрации глинозема в криолит-глиноземном расплаве в лабораторных условиях была собрана ячейка и подключена к измеряющим прибором по схем на рисунке 1.
Рис.1.-Электрическая схема установки измерения постоянной составляющей напряжения: 1 - источник постоянного напряжения 4,5 В; 2 - источник переменного напряжения 12-24 В; 3 - анод; 4 - измерительный электрод
С помощью специального электрода, выполненного из электропроводного и устойчивого в агрессивной среде криолит-глиноземного расплава, на участок «электрод-катод» подается напряжение переменного тока величиной 12-24 В от разделительного трансформатора. Назначение разделительного трансформатора и сопротивления - недопущение попадания в измерительную цепь рабочего напряжения постоянного тока. Установленный на первичной стороне разделительного трансформатора электрический фильтр выделяет постоянную составляющую, величина которой зависит от состава электролита, глинозёма. Результаты измерений представлены на рис. 2.
Рис. 2-Зависимость постоянной составляющей напряжения от концентрации глинозема в расплаве
Результаты исследований позволяют эффективно использовать данную зависимость для контроля технологического процесса электролиза алюминия и в перспективе для разработки систем автоматического управления нового поколения. Такой подход является предпосылкой для разработки мобильного измерительного прибора - датчика измерения концентрации глинозема в электролите алюминиевого электролизера.
глинозем электролит алюминий напряжение
Литература
1. Баймаков Ю.В., Ветюков М.М. Электролиз расплавленных солей. Изд-во «Металлургия», М. 1966. 560 с.
2. Лавров Б.А., Козлов К.Б, Удалов Ю.П. Физико-химические процессы в углеродной зоне фосфорной печи // Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов электротермических производств. Докл. научн.-техн. совещания «Дуга-2002». СПб, 2002. 221 с.
3. Педро А.А. Постоянная составляющая в напряжении электрической дуги переменного тока. «Электротехника», 1993. №3. с. 35.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Процесс электролиза криолитоглиноземного расплава. Виды сырья для получения алюминия и требования к ним. Свойства и состав промышленного электролита. Влияние факторов и примесей. Корректировка электролита CaF2. Техника безопасности при обслуживании ванн.
контрольная работа [49,3 K], добавлен 22.01.2009Состав, свойства электролита. Строение криолито-глиноземных расплавов. Плотность алюминия электролита. Поверхностное натяжение, давление насыщенного пара. Анодный эффект: положительные и отрицательные действия. Напряжение разложения. Механизм электролиза.
реферат [58,2 K], добавлен 21.01.2009Общая характеристика и ценные свойства алюминия. Применение алюминия и его сплавов в разных отраслях промышленности. Основные современные способы производства алюминия. Производство глинозема: метод Байера и способ спекания. Рафинирование алюминия.
реферат [35,0 K], добавлен 31.05.2010Производство глинозема, обогащение полиметаллических руд Майкаинского месторождения. Основные компоненты электролита, их свойства и состав. Основные электродные реакции и поведение примесей при электролизе. Конструкция электролитических ванн.
отчет по практике [229,7 K], добавлен 10.02.2013Система менеджмента качества Новокузнецкого алюминиевого завода. Образование газов при электролитическом производстве алюминия. Особенности технологии сухой очистки отходящих газов, типы реакторов, устройства для улавливания фторированного глинозема.
отчет по практике [523,3 K], добавлен 19.07.2015Достоинства алюминия и его сплавов. Малый удельный вес как основное свойство алюминия. Сплавы, упрочняемые термической обработкой. Сплавы для ковки и штамповки. Литейные алюминиевые сплавы. Получение алюминия. Физико-химические основы процесса Байера.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 05.03.2015Экспериментальное изучение реакции азотирования алюминия для получения нитрида алюминия. Свойства, структура и применение нитрида алюминия. Установка для исследования реакции азотирования алюминия. Результаты синтеза и анализ полученных продуктов.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 12.02.2015Выдвижение гипотез о влиянии примесей на выход алюминия. Оценка зависимости выхода алюминия от содержания азота в каменноугольном пеке. Определение статистической взаимосвязи выхода алюминия и электропроводности анода в алюминиевой промышленности.
курсовая работа [224,8 K], добавлен 04.10.2013Технологические особенности и аппаратурно-технологическая схема высокотемпературного процесса производства глинозема. Описание конструкции и тепловой работы вращающейся печи для кальцинации глинозема. Особенности температурного режима процесса.
курсовая работа [270,9 K], добавлен 13.07.2014Способы получения алюминия. История открытия металла. Разложение электрическим током окиси алюминия, предварительно расплавленной в криолите. Механическая обработка, применение металла в производстве. Изучение его электропроводности, стойкости к коррозии.
презентация [420,5 K], добавлен 14.02.2016Общие сведения о гидратах оксида алюминия. Физико-химические особенности получения оксида алюминия по методу Байера. Применение нанокристаллического бемита и условия для получения тугоплавких соединений. Рассмотрение технологии технической керамики.
дипломная работа [6,1 M], добавлен 24.01.2013Основные альтернативные способы получения алюминиевой фольги. Современные способы получения алюминия из отходов. Отделение фольги от каширующих материалов. Использование шлаков алюминия, стружки, пищевой упаковки, фольги различного происхождения.
реферат [1,2 M], добавлен 30.09.2011Промышленные способы получения глинозема. Основы способа Байера. Взаимодействие органических веществ с растворами NaOH. Материальный баланс производства глинозема из бокситов. Расчет состава и количества оборотного раствора. Методы каустификации соды.
курсовая работа [357,9 K], добавлен 22.11.2013Опpeдeление copтнocти aлюминия в зaвиcимocти oт кoличecтвa пpимeceй в нeм дpугиx мeтaллов. Принципиальная технологическая схема производства электролитического алюминия. Ocнoвныe типы кoнcтpукций aлюминиeвыx элeктpoлизepoв: анодное и катодное устройства.
отчет по практике [766,3 K], добавлен 05.04.2013Характеристика алюминия и его сплавов. Технологический процесс производства алюминия и использование "толлинга" в производстве. Состояние алюминиевой промышленности и мировой рынок алюминия в конце 2007 - начале 2008 гг. Применение алюминия и его сплавов.
контрольная работа [6,2 M], добавлен 14.08.2009Трудности в получении глинозема надлежащего дисперсного состава. Современная схема производства глинозема по способу Байера. Описание технологии процесса сгущения и промывки красного шлама. Теоретические основы сгущения. Описание технологической схемы.
курсовая работа [2,6 M], добавлен 14.10.2014Технология плавки цветных металлов. Техника безопасности при производстве алюминия из вторичного сырья. Альтернативные способы получения алюминия из вторсырья. Использование индукционной тигельной и канальной печей. Применение электродуговых печей.
курсовая работа [722,3 K], добавлен 30.09.2011Биохимия и минералогия алюминия. Виды алюминиевых руд, их генезы и состав. Производство криолита из угольной пены. Химический состав угольной пены. Назначение смешанного вторичного криолита. Основные направления, повышения эффективности производства.
контрольная работа [212,6 K], добавлен 22.01.2009Ректификованный этиловый спирт, его применение в пищевой промышленности. Физико-химические показатели зрелой бражки и термоактивированного оксида алюминия. Сравнительная диаграмма зависимости остаточного спирта от доли бражки в среде и УЗ-обработки.
статья [38,5 K], добавлен 24.08.2013Общая характеристика мокрого и сухого способов очистки газообразных выделений при электролизе алюминия. Химизм процессов мокрой и сухой газоочистки, их эффективность в зависимости от эксплуатации. Особенности обработки и утилизации полученных растворов.
курсовая работа [193,7 K], добавлен 30.01.2011