Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия

Ю. Г. Михалев, профессор каф. физической и неорганической химии
П. В. Поляков, профессор-консультант каф. металлургии цветных металлов
А. С. Ясинский, старший преподаватель каф. металлургии цветных металлов, эл. почта: ayasinskiykrsk@gmail.com
А. А. Поляков, аспирант каф. металлургии цветных металлов

В работе приведены результаты моделирования распределения тока на активной поверхности угольного анода алюминиевого электролизера. Анод, как и сам электролизер, является диссипативной структурой и, следовательно, очень чувствителен к граничным условиям. Локальные неравномерности его состава и нарушения условий взаимодействия с электролитом приводят к технологическим «расстройствам», например к искажению рельефа поверхности. Такие нарушения условно делят на три типа: «типичный конус» — цилиндрические или конические формы, образующиеся на подошве анодов; «отставание» — выступы на подошве анода прямоугольного сечения или неровность, занимающая до 50–60 % площади анода; «перекал» — нарушение на подошве анода (шар, гриб и т. п.), возникающее у любой грани анодного блока. Одна из основных опасностей образования конусов — значительное снижение выхода по току. На основе модельных представлений, считая задачу одномерной, проанализировано влияние распределения концентрации глинозема и наличия угольной пены под подошвой анодного блока на анодную плотность тока и на «срабатывание» анода. Модель позволяет предсказать локальную скорость срабатывания анода и темпы роста конуса. В основу модели положены выражения, приведенные в литературных источниках, связывающие между собой анодное перенапряжение (равное сумме активационной и концентрационной составляющих), анодную плотность тока, концентрацию глинозема в объеме расплава и падение напряжения в электролите в межполюсном зазоре при различных технологических параметрах и физико-химических свойствах электролита. Рассчитанное по модели время до появления конуса, замыкающего анод с катодом, составляет ~2 сут, что подтверждает ее адекватность. Для подавления образования и роста конусов рекомендовано: повысить скорость транспорта глинозема, изменив условия его поступления в межполюсный зазор; уменьшить содержание угольной пены (для этого нужно выравнять реакционную способность кокса-связующего и кокса-наполнителя, подобрав оптимальную температуру обжига).

1. Янко Э. А. Аноды алюминиевых электролизеров. — М. : Руда и металлы, 2001. — 672 с.
2. Arthur Martel. Spike detection using advanced analytics and data analysis // Light Metals. 2018. Р. 485–490.
3. Thonstad J., Fellner P., Haarberg G. M., Hives J., Kvande H., Sterten A. Aluminium Electrolysis. Fundamentals of Hall-Heroult Process. — 3rd ed. — Düsseldorf : Aluminium-Verlag Marketing & Kommunikation GmbH, 2001. — 359 p.
4. Михалев Ю. Г., Поляков П. В., Ясинский А. С., Шахрай С. Г., Безруких А. И., Завадяк А. В. Причины технологических нарушений при анодных процессах. Обзор исследований российских и зарубежных экспериментаторов // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: техника и технологии. 2017. № 10 (5). Р. 593–606.
5. Поляков П. В., Власов А. А., Михалев Ю. Г., Янов В. В. Об образовании конусов на подошве обожженного анода алюми ниевых электролизеров // Металлург. 2016. № 10. С. 79–83.
6. Ветюков М. М., Чувиляев Р. Г. Поведение угольной «пены» при электролизе криолит-глиноземных расплавов // Известия вузов. Цветная металлургия. 1964. № 6. С. 74–81.
7. Pietrzyk S., Thonstad J. Influence of carbon dust in the electrolyte on aluminium electrolysis parameters // ICSOBA Proceedings 2015. — URL: https://icsoba.org/sites/default/files/2015paper/aluminiumpapers/AL17%20-%20Influence%20of%20carbon%20dust%20in%20the%20electrolyte%20on%20aluminium%20electrolysis%20parameters.pdf (дата обращения 30.07.2018).
8. Bugnion, Fischer J.-C. Carbon dust in electrolysis pots — effect on the electrical resistivity of cryolite bath // Aluminium. 2016. № 1–2. Р. 44–47.
9. Bjørn Moxnes, Halvor Kvande, Asbjørn Solheim. Experience and challenges with amperage increase in hydro aluminium potlines // Light Metalls. 2007. Vol. 2. Р. 263–268.
10. Grjotheim K., Kvande H. Introduction to aluminium electrolysis. Understanding the hall-Heroult process. — Düssel dorf : Aluminium-Verlag, 1993. — 260 р.
11. Warren Haupin. Interpreting the components of cell voltage // Light Metals. 1998. Р. 531–537.
12. Ветюков М. М., Цыплаков А. М., Школьников С. Н. Электрометаллургия алюминия и магния : учебник для вузов. — М. : Металлургия, 1987. — 320 с.
13. Solheim A., Rolseth S., Skybakmoem E. Liquidus temperature and alumina solubility in the system Na₃AlF₆ – AlF₃ – LiF – CaF₂ – MgF₂ // Light Metals. 1995. P. 451–460.
14. Hives J., Thonstad J., Sterten A. Electrical conductivity of molten cryolite — based mixtures obtained with a tube-type cell made of perolytic boron nitride // Light Metals. 1994. P. 187–194.