Az extrapolált feszültség különböző konstrukciójú és üzemvitelű cellákon

Az időközben fejlődő digitális technika felhasználásával, a megfelelő potenciál leválasztók, jelszűrési és mintavételezési eljárások felhasználásával egy új hordozható adatgyűjtő és feldolgozó rendszert fejlesztettünk ki (67,68), amelybe beépítettük mindazon folyamattani ismereteket, amelyeket a MINIDATA mérésadatgyűjtő rendszerrel kaptunk. A 16 csatornás mérés adatgyűjtő rendszerrel elvégzett leterheléses mérések jellemzői a Melléklet IV-ben található.

A mérések ideje 2-5 percre rövidült, az adatgyűjtés az egyidejű áram és feszültség mérésével lehetővé tette a pontosabb mérési eredmények elérését az extrapolált feszültségek meghatározásában is. Ezen okból tovább folytattuk a kutatást az extrapolált feszültség mérésére a későbbi gyakorlati felhasználás céljaira (69).

A 16 csatornás adatgyűjtő- és feldolgozó rendszerünk hordozható volt és mélyebb ismereteket szereztünk az elektrolizáló kádak mágneses és hőtani sajátságainak mérése, valamint az elektrolizáló kádak feszültség- és energia mérlegének számítása terén is.

Ennek eredményeképpen nemzetközi megbízásokat nyertünk el és így lehetőségünk nyílt különböző konstrukciójú, áramerősségű és üzemvitelű kádakon nagyszámú mérést végezni az extrapolált feszültség meghatározására is (67,70,71,72). A 16 csatornás adatgyűjtő- és feldolgozó rendszer képét a Melléklet V mutatja be.

A világon több mint 200 alumíniumkohó üzemel, különböző konstrukcióval, eltérő üzemvitellel különböző áramerősségen, ezért a különböző kádkonstrukciójú és üzemvitelű kádakat az elektrolízis során végbemenő folyamatok szerint csoportosítottuk.

Az extrapolált feszültségeket meghatároztuk és értékeltük a különböző konstrukciókra és üzemvitelre.

Az alumíniumelektrolízis eredményességét az áramerősség nagyságával, az áramhatásfokkal, és a villamosenergia felhasználással mérik. Azért, hogy magas áramhatásfokot és alacsony villamosenergia fogyasztást érjünk el, rendelkeznünk kell olyan általános ismeretekkel, amelyek érvényesek bármely konstrukciójú és üzemvitelű kádra.

A előző fejezetben bemutattuk, hogy az áramhatásfok szempontjából lényeges kémiai folyamatok az elektrolit-fém határfelületén játszódnak le.

Ezen folyamatok nyomon-követésére, a koncentrációgradiensek meghatározására nem áll rendelkezésre kísérleti technika. Az azonban megállapítható, hogy ha a fémre ható erőket csökkentjük, akkor a reakciók a határrétegben lelassulnak, a reoxidációs folyamatok sebessége csökken és javul az áramhatásfok.

Olyan kádakon, ahol a fémre ható erők kisebbek, kisebb a visszaoldódott alumínium depolarizációja az anódon, így a számolt és mért extrapolált feszültség közötti különbségek is kisebbek lesznek.

A fémre ható erőket a mágneses tér függőleges komponense és az olvadt alumíniumban kialakult vízszintes áramok hozzák létre. A mágneses tér negatív hatását az áramvezető sínek megfelelő elhelyezésével kompenzálni lehet. A vízszintes áramok kialakulásának csökkentése az alkalmazott technológiától függ. A technológiával szemben támasztott követelmények az alábbiak:

 az elektrolizáló kádak folymatszabályozása,

 a stabil elektrolit összetétel,

 a megfelelő oldalfagyás tartása,

 az alacsony túlhevítettség és

 a kompenzált mágneses térerősség.

E fenti jellemzők szerint azokat az üzemeket, amelyekben méréseket végeztünk, csoportokba soroltuk és egyéb más mérések mellett a számított EME és Vext. közötti különbséget is meghatároztuk. A csoportokba sorolás az alábbiak szerinti:

Az A-típusú, élenjáró, modern blokkanódos kád jellemzői:

 a cellák mágnesesen kompenzáltak, a mágneses indukció függőleges komponensének átlagértéke kisebb, mint 10 Gauss;

 a timföld elektrolitba juttatása kis adagsúlyokban, pontadagolással, igény szerint történik, az esély az üledék képződésére minimalizálható;

 az elektrolit mólaránya a 2,4-2,5 tartományban van;

 a folyamatszabályozás teljes funkcióval üzemel;

 a túlhevítettség kicsi;

 termikusan tervezett katódkonstrukció a megfelelő fagyásprofil biztosítására;



A A típusú blokkanódos kádakon az extrapolált feszültség mérését az alábbi paraméterek mellett végeztük:

Blokkanód Érték Mértékegység

Áramerősség 180 kA

Anódblokk méret 100x145x55 cm

Elektrolit összetétel

mólarány 2,2 -

átlagos Al₂O₃ tartalom 3,0 %

CaF₂ tartalom 3,5 %

Ezen paraméterekre számolt elektrokémiai komponenseket és azok összegét, az EME-t és a mért Vext értékeket Táblázat XV mutatja meg.

Táblázat XV Az élenjáró blokkanódos technológiára a számított EME és a mért Vext értékek a hőmérséklet függvényében

Elektrolit

Ezekre a kádakra jellemzőaz alacsony fémáramlási sebesség, így az átadási koefficiensek a határrétegben alacsonyak.

A B-típusú, Söderberg (modernizált) kád jellemzői:

 a cellák mágnesesen részlegesen kompenzáltak, a mágneses indukció értékek a 25-30 Gauss tartományban, a cella stabilitás érdekében magas fémnívóval (26-35 cm) üzemelnek a nem elégséges mágneses kompenzáció javítására;

 a timföld kádba juttatása nagy adagsúlyban történik (kezelési ciklusok 2,5 ó);

 az elektrolit mólaránya 2,6-2,8 tartományban van CaF2, MgF2 adalékkal;

 a cellák a rövid oldaluk révén helyezkednek el és kapcsolódnak (end-to-end);

 a folyamatszabályozási funkciók részlegesen installáltak;

 a katódkonstrukció termikus szempontból nem tudatosan tervezett.

Ebbe a kategóriába tartoznak azok a nagyáramerősségű Söderberg kádak, amelyek a ‘60-es évek elején épültek.

A Söderberg kádakon az extrapolált feszültség mérését az alábbi paraméterek mellett végeztük:

Söderberg Érték Mértékegység

Áramerősség 165 kA

Ezen paraméterekre számolt elektrokémiai komponenseket és azok összegét (EME), valamint a mért extrapolált feszültségeket Vext a Táblázat XVI-ben foglaltuk össze.

Táblázat XVI A módosított Söderberg technológiára a számított EME és a mért Vext értékek a hőmérséklet függvényében

A C-típusú, „régi“ Söderberg cella jellemzői:

 ezen típusú kádak az ’ 50-as évek végén épültek;

 a cellák mágnesesen nem kompenzáltak;

 a timföld kádba juttatása nagy adagsúlyban történik (kezelési ciklus 3 óránként);

 az elektrolit mólaránya a 2,8-2,9 tartományban van;

 a cellák a hosszú oldaluk révén helyezkednek el és kapcsolódnak (end-to-end);

 a folyamatszabályozási funkciók minimálisan installáltak;

A C típusú „régi” típusú Söderberg kádakon az extrapolált feszültség mérését az alábbi paraméterek mellett végeztük:

Söderberg Érték Mértékegység

Áramerősség 100 kA

Ezen paraméterekre számolt elektrokémiai komponenseket és azok összegét (EME), valamint a mért extrapolált feszültségeket Vext a Táblázat XVII mutatja be.

Táblázat XVII A “régi“ Söderberg technológiára a számított EME és a

mért Vext értékek a hőmérsékletfüggvényében

Elektrolit

A D-típusú „régi” blokkanódos kád jellemzői:

 ezek a kádak a ’60-es évek elején épültek;

 az anódáramsűrűség magas, 0,85-1,2 A/cm²;

 a két blokksor között elhelyezett gerendás kéregtörőt alkalmaztak;

 timföldadagolás a kádon elhelyezett tartályból surrantóval történt;

 az áramhozzávezetés kétoldali, az anódvezérsínhez a végeken;

 keresztben elhelyezett kádak (side-by-side);

 magas mólarányú elektrolit összetétel, 2,9-3,0 % tartományban.

A D típusú „régi” típusú blokkanódos kádakon az extrapolált feszültség mérését az alábbi paraméterek mellett végeztük:

Blokkanód Érték Mértékegység

Áramerősség 65,5 kA

Ezen paraméterekre számolt elektrokémiai komponenseket és azok összegét (EME), és a mért extrapolált feszültségeket (Vext) a Táblázat XVIII foglalja össze.

Táblázat XVIII

Meghatároztuk az egyensúlyi potenciál, az anódtúlfeszültség, a katódtúlfeszültség számított értékeinek összegét (az EME értékeket) a különböző konstrukciókra, összetételre és hőmérsékletre. Az értékeket összehasonlítottuk a mért extrapolált feszültség értékekkel, amelyeket különböző konstrukciókra és különböző üzemviteli technológiák mellett határoztunk meg.

A 3-8% timföldkoncentráció tartományban, az összes kádtípus esetén, az extrapolált feszültség mindig kisebb volt, mint a számított EME feszültség. A feszültségkülönbségeket összehasonlítottuk az áramhatásfok értékekkel. Ebből egyértelműen látható, hogy a különbségek nagysága arányos az áramhatásfok csökkenésével.

Táblázat XIX Az extrapolált feszültség Vext. és az áramhatásfok kapcsolata

különböző konstrukciók esetén

Kádtípus

Megjegyzés: a kapott eredmények 3-8% közötti timföldkoncentráció tartományra vonatkoznak

A fenti táblázat azt mutatja, hogy a számított EME és az Vext. közötti különbség az áramhatásfok indikátora. A Vext. egy ipari alumíniumelektrolizáló kádban kifejezi a fém/elektrolit határfelület állapotát, a fémmozgást, a fém stabilitást és ezen keresztül az elektrokémiai anódos oxidáció mértékét.

0,00

Az extrapolált feszültség és az áramhatásfok kapcsolata különböző kádtípusok esetén

V ext, V (EME - V ext), V

In document Az anódfolyamatok laboratóriumi és üzemi vizsgálata az alumíniumelektrolízisben (Pldal 68-75)