Анодный эффект, причины, методы устранения, влияние на показатели процесса

Анодный эффект («вспышка») это явление характерное для электролиза расплавленных солей, это периодически возникающий искровой разряд. Это явление характеризуется такими признаками:

- резко возрастает напряжение на ванне с 4.5 В до 40-60 В;

- электролит как бы оттесняется от анода т.е. анод перестает смачиваться электролитом из-за повышения поверхностного натяжения электролита на границе с угольной поверхностью;

- вокруг анода возникают искровые разряды;

- в составе анодных газах появляется до 25-30% CF₄.

Основной причиной анодного эффекта является обеднение электролита глиноземом. Добавка новой порции глинозема устраняет анодный эффект и восстанавливает нормальный ход электролиза.

Существует много теорий на природу анодного эффекта. Мы рассмотрим две.

       1. Причина - ухудшение смачиваемости анода электролитом. Отсутствие глинозема в электролите приводит к увеличению поверхностного натяжения электролита, газы образующиеся на подошве анода газы не могут преодолеть силы поверхностного натяжения электролита и накапливаются под анодом, образуя сплошную газовую пленку, изолирующую анод от расплава, сопротивление электролита увеличивается, растет напряжение, появляется искровой разряд возникает анодный эффект.

       2. При обеднении расплава глиноземом потенциал анода увеличивается и становится возможен разряд других ионов на аноде F^- - 4 ē + C →CF₄ Разряд фторсодержащих ионов происходит тоже через стадию хемосорбции с образованием промежуточных соединений C_хО, которые нарушают смачиваемость анода и приводят к анодному эффекту.

При наступлении анодного эффекта из-за увеличения напряжения на ванне, электролит перегревается, увеличивается растворимость и потери алюминия в электролите, происходит интенсивное испарение электролита. Все это (--) моменты анодного эффекта. К положительным (+) моментам можно отнести возможность контролировать работу электролизера, облегчает прогрев ванны, возможность расплавить в ней нужные материалы и др.

       Учитывая существенные недостатки анодных эффектов при работе ванны необходимо немедленно их устранять, следить за частотой и длительностью анодных эффектов, ограничивая их. Методы устранения:

1. С помощью деревянной рейки, которая помещается под углом под анод, обеспечивая разрыв образовавшейся пленки, при попадании древесины она подвергается пиролизу (разложению) с образованием газообразных продуктов, устремляющихся вверх, которые сметают на своем пути накопившиеся анодные газы. Способ простой, доступный, но связан с восстановлением использованных в процессе древесины (лесопосадки).

2.С помощью сжатого воздуха, который подавали по специальному патрубку под анод, который сдувал скопившиеся газы. Способ был опробован в промышленном масштабе, но не прижился из-за:

а) воздух содержит кислород, который вступая во взаимодействие с растворенным алюминием вызывает его потери;

б)воздух должен быть осушен, для чего требуются дополнительные затраты;

в) необходима специальная установка для подачи кислорода в электролит, сто усложняет конструкцию ванны и осложняет обслуживание.

3. Для электролизеров ОА используют качание анодов для устранения анодных эффектов

4.7 Поведение примесей при электролизе.

Вместе с исходными материалами – глиноземом, фтористыми солями, золой анодов в электролит попадают примеси: Na₂O, CaO, SiO_2, TiO_2, H₂O, соединения Fe и др. Ведут они себя при электролизе по разному. Одни вызывают загрязнение катодного металла, т.к. будучи более электроположительными, разряжаются вместе с алюминием на катоде и растворяясь в нем загрязняют его. Другие вступают в химическое взаимодействие с расплавом вызывают изменение его состава и выделение фтористых газообразных соединений, а это приводит к потерям фтора и загрязнение атмосферы рабочего пространства.

Na₂O -попадает с глиноземом и взаимодействует с криолитом, обогащая электролит NaF и обедняет AIF₃.   Na₃AIF₆ + Na₂O = NaF +AI₂O₃

CaO -попадает с криолитом и глиноземом и превращается в СаF₂

                          Na₃AIF₆ +CaO → NaF + AI₂O_{3 +} СаF₂

      SiO₂  -вводится с глиноземом фтористыми солями и золой анодов. Попав в электролит кремнезем подвергается электролизу и будучи более электроположительным, чем алюминий в первую очередь разряжается на катоде и растворяется в металле, загрязняя его. Половина его металлотермически восстанавливается:

SiO₂   + A1 →Si + AI₂O₃

восстановленный кремний переходит в металл, загрязняя его. Другая часть кремнезема идет на образование карбида кремния:

SiO₂  + A1₄ С ₃ →Si С + AI₂O₃              Si + С →Si С

карбид тугоплавкое соединение и откладывается на подине ванны, увеличивая сопротивление. Часть кремнезема взаимодействует с электролитом:

                            SiO₂ + Na₃AIF₆ → NaF + AI₂O₃   + Si F₄^    

четырехфтористый кремний летучее соединение вызывает потери фтора, по этой реакции увеличивается КО, расход AIF₃,изменяется состав электролита.

H₂O -вводится со всеми исходными материалами, поэтому глинозем перед подачей его в электролит засыпают на корку электролита, где он подсушивается теплом ванны. Попадая в электролит вода разрушает его

H₂O + Na₃AIF₆→ NaF + AI₂O₃   + НF^

электролит обогащается NaF, КО увеличивается и переходит в щелочную область, выделяется летучий очень ядовитый фтористый водород, который вызывает потери фтора и плохо действует на человека и природу. Вода находясь в электролите подвергается электролитическому разложению с выделением на катоде водорода, который переходит в алюминий и приводит к накоплению в нем газообразных примесей, снижает выход по току.

       TiO₂ -попадает с сырьем, большая его часть восстанавливается и переходит в алюминий

TiO₂ + AI→ Ti+ AI₂O₃  

  часть реагирует с криолитом образуя летучий тетрафторид титана

Ti₂O + Na₃AIF₆→ NaF + AI₂O₃   + TiF₄^

Соединения железа попадает со всеми видами сырья или при разрушении конструктивных элементов ванны и инструмента. Оксиды железа подвергаются электролизу и Fe переходит в металл, ухудшая качество его, что снижает выход по току. Свободное железо может образовываться при термическом восстановлении его оксидов растворенным в электролите алюминием.

Таким образом, все примеси вызывают отрицательное влияние на процесс электролиза, вызывая:

- непроизводительные затраты тока на разряд примесей, снижая выход по току;

- снижение сортности металла;

- ухудшение санитарно – гигиенических условий в рабочей зоне;

- перерасход электрической энергии;

- дополнительный расход фтористых солей;

- увеличение себестоимости продукции;

-увеличение трудозатрат.

Поэтому, к сырью предъявляются высокие требования по чистоте исходных материалов, строгого соблюдения технологического процесса и параметров работы ванны.