Институт цветных металлов и материаловедения Сибирского федерального университета, Красноярск, Россия:

П. В. Поляков, профессор-консультант кафедры металлургии цветных металлов (МЦМ), эл. почта: p.v.polyakov@mail.ru
Н. А. Шарыпов, ст. преподаватель кафедры автоматизации производственных процессов в металлургии, эл. почта: Nikita.Sharypov@gmx.com
В. А. Осипова, доцент кафедры автоматизации производственных процессо в в металлургии
А. А. Пьяных, доцент кафедры теплотехники и гидрогазодинамики

В работе от ООО «РУСАЛ ИТЦ» принимали участие И. И. Пузанов и А. В. Завадяк.

Распределение тока по анодам (РТА) является одним из важных показателей работы алюминиевого электролизера, сильно влияющим на технико-экономические показатели. В промышленной практике распределение тока для ванн с обожженными анодами оценивают с помощью коэффициента неравномерности его распределения. Неравномерность распределения тока (НРТ) характерна не только для ванны, но и для отдельного анода. В статье проанализированы факторы, влияющие на НРТ. Одной из причин НРТ как в электролизере, так и на отдельном аноде является наличие неровностей на его подошве. Для исследования влияния неровностей, которые в технологической практике принято называть конусами, отставаниями, перекалами, в статье рассмотрены физическая картина и математическая модель работы анода. Оценены составляющие падения напряжения в аноде с конусом и без него. Указана одна из возможных причин появления неровностей — образование пассивирующего слоя перфторуглеродов на подошве анода. Приведены возможные реакции и ЭДС образования перфторуглеродов. Исследования проводили на модели, состоящей из двух анодов, на одном из которых задавали нарушение в виде нароста цилиндрической формы. Математическая модель включала уравнение теплопроводности и электропроводности и учитывала анодные перенапряжения (АП) и перенапряжение пузырькового слоя. Теплота Пельтье задана в виде граничного условия на подошве анода. В результате решения системы уравнений (модели) в программном комплексе ANSYS получены поля распределения температуры и плотности тока. Найдено распределение электрического потенциала и тока в конусе. Плотность тока в конусе достигает 3,5 А/см², а на подошве без конуса — 1,2 А/см²; температура электролита в области конуса в среднем на 4 ^oC выше, чем в случае отсутствия нарушения на подошве анода; электрический потенциал в конусе относительно катодного алюминия составляет приблизительно 3,54 В, что подтверждает возможность протекания реакций образования перфторуглеродов и создания пассивирующего слоя на части подошвы анода.
Статья подготовлена с использованием результатов работ, выполненных в ходе проекта 02.G25.31.0181 «Разработка сверхмощной энергоэффективной технологии получения алюминия РА-550» в рамках Программы реализации комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства, утвержденных постановлением правительства РФ № 218 от 9 апреля 2010 г.

1. Tabereaux A. T. Current Efficiency // Мaterials report «25 International course on process metallurgy of aluminum». Norway, 2006.
2. Tessier J., Duchesne C., Gary P. Tarcy, Gauthier C., Dufour G. Analysis of a potroom performance drift, from a multivariate point of view // Light Metals. 2008. P. 319–324.
3. Минцис М. Я. Распределение тока в алюминиевых электролизерах. — Новокузнецк : Сиб. гос. индустр. ун-т, 2002. — 125 с.
4. Sevastyanov G. M., Chernomas V. V., Sevastyanov A. M., Mariyn S. B. Numerical simulation features of continuous casting process form AD31 (АД31) alloy using finite-difference and finite-element models // Non-ferrous Metals. 2015. No. 2. P. 25–29. DOI: 10.17580/nfm.2015.02.05
5. Dovzhenko N. N., Arkhipov G. V., Sidelnikov S. B., Konstantinov I. L. Development and research of method of obtaining of bimetallic steel-copper billet for electrometallurgical purposes // Non-ferrous Metals. 2015. No. 2. P. 30–34. DOI: 10.17580/nfm.2015.02.06
6. Bojarevics V., Evans J. W. Mathematical modeling of Hall-Heroult pot instability and verification by measurements of anode current distribution // Light Metals. 2015. P. 783–788.
7. Li Jie, Yang Shuai, Zou Zhong, Zhang Hongliang. Experiments on measurement of online anode currents at anode beam in aluminum reduction cells // Light Metals. 2015. P. 741–745.
8. Langlois S., Rappaz J., Martin O., Caratini Y., Flueck M., Masserey A., Steiner G. 3D coupled MHD and thermoelectrical modeling applied to AP technology pots // Light Metals. 2015. P. 771–775.
9. Degard R., Solheim A., Thovsen K. Current pickup and temperature distribution innewly set prebaked hall-heroult anodes // Light Metals. 1992. P. 555–561.
10. Ali M. M., Omran A. M. Anode spike formation in prebaked aluminium reduction cells // Al-Azhar University Engineering Journal (JAUES). 2012. Vol. 7, No. 4. P. 29–41.
11. Hyland W. W. The current efficiency of a shorted anode in a prebake cell // Light Metals. 1984. P. 711–719.
12. Qi Xiquan, Lv Dingxiong, Ma Shaoxian, Wang Dequan, Mao Jihong. Study of current distribution in the metal pad of aluminum reduction cells // Light Metals. 2009. P. 575–580.
13. Кошур В. Д., Поляков П. В., Попов Ю. Н., Островский И. В. Компьютерное моделирование электрических полей алюминиевых электролизеров с углеродными вставками в межэлектродном зазоре // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 6. URL: https://scienceeducation.ru/ru/article/view?id=10901

14. Haupin W. Interpreting the components of cell voltage // Light Metals. 1998. P. 531–536.
15. Asheim H., Aarhaug T. A., Sandnes E., Kjos O. S., Solheim A., Kolas S., Haarberg G. M. Anode effect initiation during aluminium electrolysis in a two-compartment laboratory cell // Light Metals. 2016. P. 551–556.
16. Welch B. Specific energy consumption and energy balance of aluminum reduction cell // Материалы лекции. Международный конгресс Цветные металлы. Красноярск, 2016.
17. Batista E., Dando N. R., Menegazzo N., Espinoza-Nava L. Sustainable reduction of anode effect and low voltage PFC emissions // Light Metals. 2016. P. 537–540.
18. Минцис М. Я., Поляков П. В., Сиразутдинов Г. А. Электрометаллургия алюминия : монография. — Новосибирск : Наука, 2001. — 368 с.
19. Flem B. Peltier heats in Cryolite Melts with Alumina : Ph.D. thesis ; Institute of Physical Chemistry, Norwegian Institute of Technology. — Trondheim, 1996.
20. Dorreen M. M. R., Hyland M. M., Haverkamp R. G., Metson J. B., Jassim A., Welch B. J., Tabereaux A. T. Co-evolution of carbon oxides and fluorides during the electrowinning of aluminium with molten NaF – AlF₃ – CaF₂ – Al₂O₃ electrolytes // Light Metals. 2017. P. 533–539.