Изучение особенностей электролиза суспензий глинозема во фторидных расплавах с целью совершенствования процесса Эру-Холла

• Автор: Симаков, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 179 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1 Основы теории процесса ЭруХолла.

1.1.1 Совершенствование существующей технологии электролиза

1.2 Альтернативные технологии получения алюминия.

1.2.1 Карботермическое восстановление оксида алюминия

1.2.2 Электролиз при температурах существенно ниже 0С.

1.3 Инертные аноды для получения алюминия электролизом.

1.3.1 Сравнение технологий получения алюминия с углеродными и

инертными анодами

1.3.2 Типы инертных анодов.
1.3.3 Требования к материалам инертных анодов
1.3.4 Механизмы коррозии инертных анодов при электролизе.
1.3.5 Кинетика коррозионного износа инертных анодов
1.3.6 Влияние на скорость коррозии технологии электролиза
1.3.7 Необходимое условие стабильной работы инертных анодов
1.4 Инертные катоды для получения алюминия электролизом
1.4.1 Композиты на основе тугоплавких соединений.
1.4.2 Смачиваемые алюминием катодные покрытия
1.4.3 Осаждение алюминия на несмоченных алюминием подложках
1.5 Область исследования.
2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
2.1.1 Материалы и реактивы.
2.1.2 Конструкции ячеек
2.1.3 Электрохимические измерения
2.1.4 Погрешность измерений
3 АНОДНЫЙ ПРОЦЕСС.
3.1 Методические особенности.
3.2 Результаты экспериментов и их обсуждение.
3.2.1 Определение верхнего предела анодной плотности тока для керметных анодов.
3.2.2 Электролиз низкотемпературных суспензий с керметными анодами
3.2.3 Поведение металлического анода при низкотемпературном электролизе
Ч 3.2.4 Необходимые условия электролиза с металлическим анодом
3.2.5 Изучение выделения кислорода на инертном аноде.
3.3 Выводы.
4 КАТОДНЫЙ ПРОЦЕСС
4.1 Методические особенности.
4.2 Результаты экспериментов и их обсуждение.
4.2.1 Изучение кинетики выделения алюминия на твердой подложке при температуре 0С
4.2.1.1 Хроновольтамперометрия.
4.2.1.2 Стационарные поляризационные кривые
4.2.1.3 Кривые выключения.
4.2.1.4 Хронопотенциометрия.
4.2.1.5 Схема катодного процесса.
4.2.1.6 Электрохимическая коррозия алюминия на твердом катоде
4.2.2 Определение максимальной катодной плотности тока
4.2.2.1 Выбор состава электролита.
4.2.2.2 Максимальная катодная плотность тока в расплаве Р А1Рз с мас. глинозема.
4.2.2.3 Максимальная катодная плотность тока в расплаве ИаАРд ЬР с
мас. глинозема.
4.2.3 Смачивание катодов алюминием при электролизе
4.2.3.1 Пассивация поверхности смачиваемого катода
4.2.3.2 Смачивание катодов при высокотемпературном электролизе расплавов без суспензии глинозема.
4.2.3.3 Смачивание катодов при высокотемпературном электролизе суспензий.
4.2.3.4 Способ отвода алюминия из МПЗ.
4.2.4 Влияние параметров электролиза на выход по току
4.3 Выводы
5 ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА.
5.1 Методические особенности
5.2 Результаты эксперимента и их обсуждение.
5.3 Выводы
6 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Никелевые аноды, содержащие алюминий, медь, железо и цинк, не пригодны для использования в низкотемпературных расплавах. Предложена и запатентована принципиальная конструкция многополярного электролизера с высокой удельной производительностью (более кг/м2*сут) и на его лабораторной модели определены параметры и условия электролиза суспензии глинозема во фторидном расплаве, которые позволили получить алюминий с выходом по току выше % при удельном расходе электроэнергии около кВтч/кг А1. Конструкция в сочетании с технологией низкотемпературного электролиза высококонцентрированных суспензий позволит значительно увеличить выход по энергии, повысить выход по току, снизить удельный расход электроэнергии и загрязнение окружающей среды при получении алюминия. Русский алюминий» по разработке технологии получения алюминия с инертными электродами. С электролизом суспензий глинозема во фторидных расплавах с содержанием глинозема % масс. А/см2 и межполюсным расстоянием около 2 см. Результаты исследования выделения кислорода на инертных анодах и выводы относительно условий, необходимых для достижения непрерывного выхода кислорода из зоны реакции, низкой скорости коррозии анодов и стабильного напряжения ячейки. А/см2, минимальное окисление поверхности катода при его обжиге и нагреве, отрицательный редокс-потенциал электролита. Результаты экспериментальных исследований влияния на низкотемпературный электролиз суспензий материала электрода, содержания глинозема в суспензии, конфигурации электролитической ячейки, температуры электролиза, состава дисперсионной среды и плотности тока. Апробация работы. Результаты работы представлены и обсуждены на VII Международной конференции «Алюминий Сибири - », г. XI Международной конференции «Алюминий Сибири - », г. Красноярск, - сентября г. Ежегодной международной конференции «TMS - », г. Сан Антонио, США, - марта г. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи, в т. Цветные металлы», входящем в перечень Высшей аттестационной р комиссии, и получено 2 патента на изобретение. Структура работы. Материал диссертации изложен на 7 страницах, включая рисунка и 7 таблиц. Работа состоит из введения, пяти основных глав, включая аналитический обзор, выводов и списка используемых источников (9 наименований). А (та, 8°К) + — С (та, 8°К) = А1 (ж. С (г, Т°К) + -Г—-О СО (г. Термодинамические расчеты показывают, что при температуре 0°С (°К) и выходе по току 0% теоретически необходимый расход электроэнергии для получения 1 кг алюминия по реакции (1. Втч [4]. Типичная конструкция современного электролизера Эру-Холла для получения алюминия схематично показана на рисунке. В процессе электролиза постоянный электрический ток по ошиновке поступает на токоподводящие штанги анодов и выходит с блюмсов катода. Рабочей зоной электролизера является криолит-гл иноземный расплав, находящийся между катодом и анодом. При прохождении электрического тока через электролит происходит разложение растворенного в расплаве глинозема и разогрев электролизера (в рабочей зоне до 0°С) за счет выделения Джоулева тепла. Большая часть этого тепла теряется в окружающее пространство электролизера и, поэтому, удельный расход электроэнергии лучших современных электролизеров равен приблизительно кВтч/кг А1. При выходе по току %, это соответствует напряжению электролизера Втч/г А1 *0,6 г/Ач*0,=4, В. С учетом теоретически необходимого минимума расхода электроэнергии, легко определить, что КПД электролизеров не превышает %. Стрелками показано направление тока. Расстояние анод-алюминий 4,5-6 см. Длина шахты 9 - м, ширина 4-4,5 м, глубина - см. Рисунок 1. Поперечный разрез электролизёра с предварительно обожженными анодами. Процесс электролиза ведут при переменных концентрациях глинозема приблизительно от 1 до 4% по массе. В результате электролиза на жидком алюминиевом катоде происходит выделение А1, а на аноде происходит окисление углерода выделяющимся кислородом. В состав криолит-глиноземного расплава входят такие компоненты, как криолит (№3А1Р6), фторид алюминия (А1Р3) и глинозем (А).