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

А. С. Ясинский, доцент кафедры металлургии цветных металлов, эл. почта: ayasinskiykrsk@gmail.com

С. К. Падамата, аспирант

П. В. Поляков, профессор кафедры металлургии цветных металлов

О. О. Виноградов, заведующий учебно-научно-производственной лабораторией

Работа посвящена анодному поведению сплавов на основе Cu – Al в криолитоглиноземных расплавах и суспензиях с криолитовым отношением 1,3 и объемной долей дисперсной фазы в суспензии 0,12 и 0,15 при использовании оксида алюминия марки ЧДА со средним размером частиц 5 мкм. Сплавы исследованы методами стационарной гальвано-статической поляризации и циклической вольтамперометрии. Эксперименты проведены при 1023 К. В качестве анодов использованы сплавы Cu – 9 Al – 5 Fe (состав А1: 9 % (мас.) Al, 5 % Fe, остальное — Cu), Cu – 10 Al (А2) и Cu – 10 Al – 1,7 Be (А3), проведен анализ возможных продуктов окисления анодов, рассчитаны стандартные электродные потенциалы соответствующих реакций. Результаты исследования анодов стационарными мето да ми подтверждают перспективность анода А2. В пользу этого вывода выступают малая плотность тока окисления анода в докислородной области потенциалов в расплаве, малая парциальная плотность тока окисления анода в кислородной области потенциалов в расплаве, высокая плотность тока начала пассивации в суспензии. В расплаве при поляризации анода А1 наблюдается предельный диффузионный ток плотностью порядка 0,1–0,15 А/см², связанный с окислением металла. При переходе к суспензиям наблюдается частичная пассивация анода А2 при анодной плотности тока примерно 0,5–0,6 А/см² и потенциале ~3,2–3,3 В. Анод А3 претерпе вает частичную пассивацию при меньших плотностях тока и потенциалах. После опытов исследована структура оксидного слоя. Металл покрыт плотным слоем оксидов толщиной порядка 0,5–1,0 мм. Видимых трещин, повреждений и следов глубокой коррозии не обнаружено. Оксидный слой образцов состоит преимущественно из соединений Cu₂O и CuAlO₂. Переход от насыщенного расплава к суспензии ведет к увеличению доли оксида меди (I). Соединения CuO и CuAl₂O₄ обнаружены только в оксидных слоях анодов из сплава А2. Для дальней ших исследований рекомендованы состав А2 и суспензия с объемной долей дисперсной фазы не более 0,12.

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 № 18-48-243014.

1. Galasiu I., Galasiu R., Thonstad J. Inert Anodes for Aluminium Electrolysis. — Düsseldorf : Aluminium-Verlag, 2007. — 212 p.
2. Tkacheva O., Spangenberger J., Davis B., Hryn J. Ch. 1.6. Aluminum Electrolysis in an Inert Anode Cell // Molten Salts Chemistry and Technology. — First Edition / ed. Gaune-Escard M., Haarberg G. M. — N. Y. : John Wiley & Sons, 2014. P. 53–69.
3. Haraldsson J., Johansson M. T. Review of measures for improved energy efficiency in production-related processes in the aluminium industry – From electrolysis to recycling // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. Vol. 93. P. 525–548. DOI: 10.1016/j.rser.2018.05.043
4. Pawlek R. P. Inert anodes: an update // Light Metals. 2014. P. 1309–1313.
5. Cassayre L., Patrice P., Pierre C., Laurent M. Properties of low-temperature melting electrolytes for the aluminum electrolysis process: a review // J. Chem. Eng. Data. 2010. Vol. 55. P. 4549–4560.
6. Lebedev V. A., Shoppert A. A. Efficient Assessment of Physico-Chemical Properties of the Cryolite Melts for Research on the Improvement of Low-Temperature Aluminum Electrolysis // Materials Engineering and Technologies for Production and Processing IV. Solid State Phenomena. 2018. Vol. 284. P. 839–844. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.284.839
7. Jucken S., Schaal E., Tougas B., Davis B., Guay D., Roué L. Impact of a post-casting homogenization treatment on the high-temperature oxidation resistance of a Cu – Ni – Fe alloy // Corrosion Science. 2019. Vol. 147. P. 321–329. DOI: 10.1016/j.corsci.2018.11.037
8. Galasiu I., Galasiu R. Aluminium electrolysis with inert anodes and wettable cathodes and with low energy consumption // Molten Salts Chemsitry and Technology / ed. M. Gaune-Escard, G. M. Haarberg — N. Y. : John Wiley & Sons, 2014. P. 27–37.
9. Gavrilova E., Goupil G., Davis B., Guay D., Roué L. On the key role of the Cu content on the oxidation behavior of Cu – Ni – Fe anodes for Al electrolysis // Corrosion Sciense. 2015. Vol. 101. P. 105–113.
10. Yuan Wang, Han Bing He. The Ion Structure of NiFe₂O₄ – 10NiO-Based Cermet Anode in the Electrolyte // Materials Science Forum. 2018. Vol. 921. P. 119–127. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.921.119
11. Oudot M., Cassayre L., Chamelot P., Gibilaro M., Massot L., Pijolat M., Bouvet S. Layer growth mechanisms on metallic electrodes under anodic polarization in cryolite-alumina melt // Corros. Sci. 2014. Vol. 79. P. 159–168.
12. Ndong G., Xue J., Feng L., Zhu J. (2015) Effect of Anodic Polarization on Layer-Growth of Fe – Ni – Cr Anodes in Cryolite-Alumina Melts // 6th International Symposium on High-Temperature Metallurgical Processing / ed. T. Jiang et al. P. 83–90.
13. Kovrov V. A., Khramov A. P., Zaikov Y. P., Chumarev V. M., Selivanov E. N. Anodic behavior of the NiO – Fe₂O₃ – Cr₂O₃ – Cu composite during the low-temperature electrolysis of aluminum // Russ. J. Non-ferrous Metals. 2014. No. 55. P. 8–14.
14. Meyer P., Gibilaro M., Massot L., Pasquet I., Tailhades P., Bouvet S., Chamelot P. Comparative study on the chemical stability of Fe₃O₄ and NiFe₂O₄ in molten salts // Materials Science and Engineering: B. 2018. Vol. 228. P. 117–122.
15. Allanore A., Yin L., Sadoway D. R. A new anode material for oxygen evolution in molten oxide electrolysis // Nature. 2013. Vol. 497. P. 353–357.
16. Zhiyuan Li, Zhongqi Shi, Zhejian Zhang, Rongdi Liu, Ying Liu, Jing Li, Guanjun Qiao. Corrosion resistance of the ZnCr₂O₄ spinel in NaF – KF – AlF₃ bath // Corrosion Science. 2018. Vol. 131. P. 199–207.
17. Polyakov P. V., Klyuchantsev A. B., Yasinskiy A. S., Popov Y. N. Conception of “Dream Cell” in aluminium electrolysis // Light Metals. 2016. P. 283–288.
18. Ясинский А. С., Власов А. А., Поляков П. В., Солопов И. В. Влияние парциальной плотности глинозема на технологические параметры восстановления алюминия из криолитоглиноземных суспензий // Цветные металлы. 2016. № 12. С. 33–38.
19. Yasinskiy A. S., Polyakov P. V., Voyshel Y. V., Gilmanshina T. R., Padamata S. K. Sedimentation behavior of high-temperature concentrated colloidal suspension based on potassium cryolite // Journal of Dispersion Science and Technology. 2018. Vol. 39, Iss. 10. P. 1492–1501.
20. Ясинский А. С., Поляков П. В., Юшкова О. В., Сигов В. А. Пространственное распределение частиц при стоксовском осаждении глинозема в высокотемпературной концентрированной суспензии-электролите для производства алюминия // Цветные металлы. 2018. № 2. С. 45–50. DOI: 10.17580/tsm.2018.02.05
21. Nikolaev A. Yu., Suzdaltsev A. V., Polyakov P. V., Zaikov Yu. P. Cathode process at the electrolysis of KF – AlF₃ – Al₂O₃ melts and suspensions // Journal of the Electrochemical Society. 2017. Vol. 164, Iss. 8. P. H5315–H5321.
22. Hryn J., Tkacheva O., Spangenberger J. (2016) Initial 1000A Aluminum Electrolysis Testing in Potassium Cryolite-Based Electrolyte / ed. B. A. Sadler // Light Metals. 2013. P. 1289–1294.
23. Khramov A. P., Kovrov V. A., Zaikov Y. P., Chumarev V. M. Anodic behaviour of the Cu82Al8Ni5Fe5 alloy in low-temperature aluminium electrolysis // Corrosion Science. 2013. Vol. 70. P. 194–202.
24. Shao W. Z., Feng L. C., Zhen L., Xie N. Thermal expansion behavior of Cu/Cu₂O cermets with different Cu structures // Ceram. Int. 2009. Vol. 35. P. 2803–2807.
25. Shao W. Z., Xie N., Li Y. C., Zhen L., Feng L. C. Electric conductivity and percolation threshold research of Cu – Cu₂O cermet // Trans. Non-Ferrous Metals Soc. China. 2005. Vol. 15. P. 297–241.
26. Li-Chao Feng, Ning Xie, Wen-Zhu Shao, Liang Zhen, Ivanov V. V. Exploring Cu₂O/Cu cermet as a partially inert anode to produce aluminum in a sustainable way // Journal of Alloys and Compounds. 2014. Vol. 610, Iss. 15. P. 214–223.
27. Feng L. C., Shao W. Z., Zhen L., Xie N. Microstructure and mechanical property of Cu₂O/Cu cermet prepared by in situ reduction-hot pressing method // Mater. Lett. 2008. Vol. 62. P. 3121–3123.
28. Windisch C. F. J., Marschman S. C. Electrochemical polarization studies on Cu and Cu-containing cermet anodes for the aluminum industry // Light Metals. 1987. P. 351– 355.
29. Padamata S. K., Yasinskiy A. S., Polyakov P. V. Electrolytes and its Additives Used in Aluminum Reduction Cell: a Review // Metallurgical research and technology. 2019. Vol. 116, Iss. 4. P. 410.