ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ КАТОДНЫХ БЛОКОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПРОИЗВОДСТВЕ АЛЮМИНИЯ

RESISTANCE OF CATHODE BLOCKS FOR THE ALUMINUM PRODUCTION

Roman Feshchenko

candidate of Science, Assistant of Automation of Technological Processes and Productions department at St. Petersburg Mining university,

Russia, Saint-Petersburg

Olga Erokhina

student of Automation of Technological Processes and Productions department at St. Petersburg Mining university,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

Целесообразность использования различных типов углеграфитовых блоков обуславливается в первую очередь их электросопротивлением, что объясняется значительным влиянием данного параметра на выход по металлу и, соответственно, рентабельность эксплуатации электролизера в целом.

В данной работе представлены результаты аналитического обзора факторов, влияющих на электросопротивление различных видов углеграфитовых катодных блоков. В качестве альтернативы стандартизированному методу, предложена установка и методика измерения электросопротивления катодов при повышенных температурах. В качестве обоснования необходимости использования данного метода предложены данные по изменению электросопротивления в ходе эксплуатации.

ABSTRACT

The feasibility of using different types of carbon-graphite blocks is caused primarily by their electrical resistance that is explained by considerable influence of this parameter on the yield of metal and consequently the profitability of operating the electrolytic cell in general.

In the article results of an analytical overview of the factors affecting the electrical resistance of different types of carbon and graphite cathode blocks are presented. As an alternative to the standardized method, the installation and the method for measuring the electrical resistance of the cathode at high temperatures are proposed. Data on changes in the electrical resistance during the operation is offered as a justification for the use of this method.

Ключевые слова: графитизированные блоки, катод, электросопротивление, электролиз, измерение.

Keywords: graphitized blocks, cathode, resistance, electrolysis, measurement.

Введение

Электросопротивление – один из основных параметров катодных блоков, поскольку определяет падение напряжения в катоде и, таким образом, влияет на потребляемую мощность и стоимость производимого алюминия в целом.

Данный параметр зависит от ряда факторов, включающих тип исходного сырья и его гранулометрический состав, а также температуру термообработки. Следует отметить, что для электросопротивления катодных блоков с высоким содержанием графита свойственна анизотропия, предопределяющая режим эксплуатации подобных катодов.

Исходя из тенденций, свойственных промышленному производству алюминия электролизом, наиболее целесообразным является использование блоков с минимальным значением электросопротивления, чем обусловлено повсеместное использование графитизированных катодных блоков на заграничных заводах.

Метод измерения электросопротивления при повышенной температуре

Измерение электросопротивления при комнатной температуре осуществляется по стандартизированной методике ISO 11713. Однако поскольку данный параметр изменяется в зависимости от температуры, представляет интерес определение данного параметра при температуре эксплуатации блоков в процессе электролитического получения алюминия. Такое измерение может быть реализовано на цилиндрических образцах при помощи экспериментальной установки, принципиальная схема которой показана на рисунке 1. Данная установка также позволяет определить падение напряжения на границе катодный блок – стальной токоотводящий стержень.

Собранная установка помещается внутрь вертикальной трубчатой печи с рабочей температурой 1000°С, которая контролируется дифференциальной термопарой TC. В печи создается инертная атмосфера путем подачи азота для предотвращения окисления образца. На образец подается токовая нагрузка постоянного тока, проходящий через границу раздела сталь-углерод к стальным удлинителям.

Электрическое сопротивление углеродного образца (ρ_С), рассчитывается исходя из падения напряжения (U₂–U₁) = ΔU₂₁:

                                                        (1)

где: А – площадь контакта; I – сила тока; L – расстояние. Все обозначения приведены на рисунке 1а.

Для определения падения напряжения между контактами ΔU₁₀, ΔU₃₂ используется следующая формула:

                                                        (2)

                                                        (3)

где: ρ_S – удельное электросопротивление стального блюмса. Среднее значение удельного сопротивления определяется по формуле:

                                                                              (4)

Рисунок 1. Схема измерения электросопротивления образцов катодных блоков при повышенной температуре

Температурная зависимость электросопротивления катодных блоков

Данные авторов [2; 7] по изменению электросопротивления в зависимости от температуры для различных типов катодных блоков представлены на рисунке 2. Электросопротивление измерялось перпендикулярно поверхности катода в середине блока. Важно отметить, что сопротивление графитизированного блока от температуры практически не зависит, в отличие от более аморфных материалов. Это является очевидным преимуществом данного типа катодных блоков, поскольку их эксплуатация обеспечит более стабильную работу электролизера и простоту регулировки падения напряжения в случае отклонения технологического процесса электролиза от нормы.

Рисунок 2. Температурная зависимость электросопротивления различных типов катодных блоков [6]

На рисунке 3 показана корреляция между электросопротивлением и температурой образцов катодных блоков, изготовленного на основе игольчатого кокса, графитизированных при разных температурах.

Рисунок 3. Температурная зависимость электросопротивления образцов катодных блоков, графитизированных при различных температурах [1]

Изменение электросопротивления в ходе электролиза

Авторы [4] провели лабораторный эксперимент по определению изменения электросопротивления образцов графитизированных катодных блоков в условиях электролиза со временем и получили, что значение данного параметра резко падало в течение первых тридцати минут, а затем в течение нескольких часов медленно увеличивалось до исходных значений. Причиной первоначального падения является, вероятно, электронная проводимость, вызванная адсорбцией металлического натрия, что подтверждается тем, что электросопротивление образца, изготовленного на основе изотропного кокса, выше, при этом он должен адсорбировать больше натрия, чем более структурно упорядоченные образцы на основе игольчатого кокса. Последующее возрастание сопротивления может быть связано со структурными изменениями графита и локальным образованием карбида алюминия.

Рисунок 4. Изменение электросопротивления в ходе электролиза [4]

В исследовании [7] анализировались различные катодные образцы с промышленных катодных блоков, на которых измеряли электросопротивление до и после электролиза. Температура в ходе опыта варьировалась от 25°С до 965°С. Также были рассмотрены изменения в микроструктуре катодных материалов. Целью стало изучение различной степени графитизации катода, влияние данного фактора на электросопротивление при высокой температуре и внедрении солей натрия. Катодные образцы подвергались электролизу в лабораторных условиях при следующих параметрах: температура 965°С, атмосфера – аргоновая, продолжительность опыта – 3 ч., плотность тока составляла 0.45 А/см², электролит, с криолитовым отношением 4, содержал 8 масс. % Al₂O₃ и 5 масс. % CaF_2. После опыта образцы исследовали методом электронной микроскопии (рисунок 7).

Таблица 1.

Параметры испытуемых образцов [7]

Рисунок 5. Температурная зависимость электросопротивления образцов катодных блоков различного типа до электролиза [7]

Рисунок 6. Температурная зависимость электросопротивления образцов катодных блоков различного типа после электролиза [7]

На микрофотографиях поверхности можно увидеть, что во внутренней области меньше внедрившихся солей по сравнению с поверхностью. Очевидно, что для графитизированного материала способность к проникновению фторидов во время электролиза меньше, чем для других материалов, таким образом, в ходе эксплуатации блоки данного типа сохраняют низкое и стабильное электросопротивление после электролиза, почти сходное со значением до опыта.

а                                             б                                             в

Рисунок 7. Микрофотографии поверхности образцов катодных блоков различного типа после опыта: а – 35 % графита, б – 100 % графита, в – графитизированный [7]

На рисунке 8 приводятся данные [3] по зависимости электросопротивления катода от срока службы для графитизированных катодов, изготовленных на основе различных материалов: 1 – пековый кокс 2 – нефтяной кокс.

Рисунок 8. Зависимость электросопротивления катода от срока службы для графитизированных катодов [3]

Заключение

Полученные в ходе проведения аналитического обзора данные подтвердили преимущество использования графитизированных катодных блоков в производстве первичного алюминия электролитическим способом. Более низкое электросопротивление подобных блоков позволяет снизить удельные затраты на производство металла. Следует также отметить высокую стабильность значения электросопротивления при высоких температурах в условиях электролиза, что позволит упростить моделирование поведения образцов при их эксплуатации в промышленных условиях.

Описанный метод измерения электросопротивления при высоких температурах позволяет получать достоверные воспроизводимые значения для образцов катодных блоков при температурных условиях, соответствующих процессу электролиза алюминия, что обуславливает целесообразность применения подобного метода в лабораторных условиях.

Список литературы:

1. Akuzawa N., Chiwata M., Hagiwara M., Sato Y., Imagawa H. Resistivity Change of Cathode Graphite during and after Electrolysis in Alumina Molten // Light metals. 2011. P. 1117–1123.
2. Dumas D., Lacroix P. High temperature measurement of electrical resistivity and thermal conductivity on carbon materials used in aluminium smelters // Light metals. 1994. P. 751–760.
3. Lombard D., Beheregaray T., Feve B., Jolas J.M. Aluminium Pechiney experience with graphitized cathode blocks // Light Metals. 1998. P. 653–658.
4. Sato Y., lmagawa H., Hagiwara M., Akuzawa N. Change of electrical resistivity of graphitized cathode block during and after electrolysis in alumina molten salts // Light metals. 2008. P. 979–984.
5. Sorlie M., Gran H. Cathode collector bar to carbon contact resistance // Light Metals (1992) P. 779.
6. Sorlie M., Gran H., Oye H.A. Property Changes of Cathode Lining Materials during Cell Operation // Light Metals. 1995. P. 497–506.
7. Xue J., Zhu J., Song Y. Electrical resistance of graphitic and graphitized cathode materials at elevated temperatures // Light Metals. 2010. P. 829–834.