Институт цветных металлов и материаловедения, Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия:

А. С. Ясинский, ст. преподаватель каф. металлургии цветных металлов, тел.: +7 983 169 78 09
П. В. Поляков, профессор-консультант каф. металлургии цветных металлов
О. В. Юшкова, зав. лаб. каф. металловедения и термической обработки металлов им. В. С. Биронта
В. А. Сигов, магистрант каф. металлургии цветных металлов

Исследовано поведение высокотемпературных концентрированных суспензий-электролитов для получения жидких металлов, в частности алюминия. Приведены экспериментальные данные, объясняющие некоторые особенности седиментации таких систем. Эксперименты проводили при 700 ^oC над суспензией системы KF – AlF₃ – Al₂O₃. Определена локальная концентрация частиц как функция вертикальной координаты и времени при разной объемной доле частиц в суспензии (φ). Идентифицирован переход первого типа седиментации в третий для системы с объемной долей φ = 0,24. Для φ = 0,28 обнаружен нехарактерный тип седиментации — свойственный переходу из зоны седиментации в зону осадка. При φ = 0,32 отмечено затруднение седиментации, значение j близко к объемной доле максимальной упаковки (φ_m), которая соответствует бесконечно большой вязкости суспензии. По микрофотографиям затвердевших образцов исследована зависимость среднего размера частиц от вертикальной координаты z для систем с разным составом. Обнаружено, что в той части дисперсной системы, которая находится вблизи ограничивающей ее стенки, седиментация при малых числах Рейнольдса существенно затруднена. При снижении среднего размера частиц и полидисперсности φ_m снизилась, что хорошо согласуется с литературными данными. Обнаружено, что φ_m сильно зависит от присутствия неподвижной стенки. Полученные результаты позволяют утверждать, что снижение межэлектродного расстояния (МПР) является весьма важным направлением развития технологии электролиза суспензий с вертикальными электродами. Для получения алюминия с малым расходом электроэнергии необходимо поддерживать 5 < МПР < 15 мм. Объемная доля твердой фазы в системе KF – AlF₃ – Al₂O₃ при этом может составлять от 0,28 до 0,32 в зависимости от установленного МПР. При таких условиях следует ожидать подавления седиментации и равномерного распределения тока.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности в рамках научного проекта № 16-43-240781.

1. Polyakov P. V., Klyuchantsev A. B., Yasinskiy A. S., Popov Y. N. Conception of «Dream Cell» in aluminium electrolysis // Light Metals. 2016. Р. 283–288.
2. Ясинский А. С., Власов А. А., Поляков П. В., Солопов И. В. Влияние парциальной плотности глинозема на технологические параметры восстановления алюминия из криолитоглино-земных суспензий // Цветные металлы. 2016. № 12. С. 33–38.
3. Yasinskiy A. S., Polyakov P. V., Klyuchantsev A. B. Motion dynamics of anodic gas in the cryolite melt — alumina high temperature slurry // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2017. Vol. 58, No. 2. P. 109–113.
4. Кулик Н. П., Степанов В. П., Антонов Б. Д., Докашенко С. И. Седиментация взвеси оксида магния в расплаве KCl – NaCl эквимольного состава // Доклады Академии наук. 1995. Т. 343, № 1. С. 65–67.
5. Моисеев Г. К. О некоторых реологических свойствах высококонцентрированных суспензий из порошков окиси магния и расплава карбонатов щелочных металлов // Труды Института электрохимии. 1970. № 14. С. 112–118.
6. Azema N. Sedimentation behaviour study by three optical methods — granulometric and electrophoresis measurements, dispersion optical analyser // Powder Technol. 2006. Vol. 165. P. 133–139.
7. Chen J. F., Luo Y., Xu J. H., Chen Q. M., Guo J. Visualization study on sedimentation of micron iron oxide particles // J. Colloid Interface Sci. 2006. Vol. 301. P. 549–553.
8. Урьев Н. Б. Текучесть суспензий и порошков. — М. : Химия, 1992. — 256 с.
9. Vesaratchanon J. S., Nikolov A., Wasan D. T. Sedimentation of concentrated monodisperse colloidal suspensions: Role of collective particle interaction forces // J. Colloid Interface Sci. 2008. Vol. 322. P. 180–189.
10. Shewan H. M., Stokes J. R. Analytically predicting the viscosity of hard sphere suspensions from the particle size distribution // J. Non-Newtonian Fluid Mech. 2015. Vol. 222 P. 72–81.
11. Moon J. Y., Dai S., Chang L., Lee J. S., Tanner R. I. The effect of sphere roughness on the rheology of concentrated suspensions // J. Non-Newtonian Fluid Mech. 2015. Vol. 223. P. 223-239.
12. Hernando L., Omari A., Reungoat D. Experimental study of sedimentation of concentrated mono-disperse suspensions: Determination of sedimentation modes // Powder Tecnol. 2014. Vol. 258. P. 265–271.
13. Hernando L., Omari A., Reungoat D. Experimental investi gation of batch sedimentation of concentrated bidisperse suspensions // Powder Tecnol. 2015. Vol. 275. P. 273– 279.
14. Исаева Л. А., Поляков П. В. Глинозем в производстве алюминия электролизом. — Краснотурьинск : Издательский дом ОАО «БАЗ», 2000. — 199 с.
15. Fernandez R., Ostvold T. Surface tension and density of molten fluorides and fluoride mixtures containing cryolite. Acta Chemica Scandinavica. 1989. Vol. 42. P. 151–164.