Поведение Cu-Fe-Ni анодов при электролизе низкотемпературного расплава KF-NaF-AlF3-Al2O3

Электролиз криолит-глинозёмного расплава, который предложили в 1886 г. П. Эру и Ч. Холл, сегодня является самым масштабным и энергоёмким электрохимическим производством. Ежегодно в мире производится около 40 млн. тонн алюминия, при этом расходуется 13−16 тыс. кВт-час на 1 т производимого металла. Несмотря на столь значительное энергопотребление, около 95% мирового производства алюминия приходится на электролиз криолит-глинозёмных расплавов (к.г.р.). Жизнестойкость процессу придают его непрерывность, хорошая техническая оснащённость, а также высокое качество получаемого металла и неограниченная потребность в нём современной техники. В качестве анодного материала промышленного электролиза используется углерод, который участвует в электрохимической реакции:

1+х)С + (2+х)02″ С02 + хСО + 2(2+х)е.

В результате этого процесса происходит расходование углеродного анода с образованием газообразных продуктов СО, С02 и фреонов, являющихся экологически опасными газами. Для производства 1 т алюминия расходуется от 420 до 550 кг углерода, что составляет 10% и более в себестоимости первичного алюминия. Кроме того, частая замена электродов и необходимость корректирования межполюсного расстояния приводят к снижению технологичности процесса. По этой причине невозможно использовать конструкцию электролизёра с вертикальным расположением электродов.

Решить целый комплекс проблем, связанных с расходом углеродсодержащих материалов и улучшением технологических параметров электролиза позволило бы использование стойких размероустойчивых, так называемых инертных анодов. Одним из основных достоинств применения таких электродов в электрохимической практике является возможность создания экологически чистых технологий. Замена углеродных анодов на инертные, при использовании которых вместо парниковых газов будет выделяться кислород, позволила бы изменить существующий на данный момент для алюминиевой промышленности статус экологически грязного производства. Разработка конструкции электролизёра с вертикальным расположением электродов в свою очередь позволит коренным образом увеличить производительность ванны и снизить энергопотребление.

Примерно с 80-х годов прошлого столетия ведущие производители алюминия возобновили активный поиск материалов, которые могли бы использоваться в качестве инертных анодов. В литературе, посвященной данной проблеме, показана принципиальная возможность создания инертных анодов на основе металлических, оксидных и металлокерамических композиций. Результаты испытаний таких анодов представлены в виде многочисленных патентов, ориентированных, главным образом, на решение технических задач. Следует отметить в основном эмпирический подход к выбору материала инертного анода, а также явный недостаток работ, посвященных исследованию деградации свойств инертного анода, его коррозионного разрушения и отсутствие методов определения коррозионной стойкости, необходимых для сравнения результатов эксперимента и позволяющих систематизировать исследованные материалы. В настоящее время промышленному использованию инертных анодов препятствует высокая скорость коррозии, приводящая к недопустимому загрязнению алюминия.

Оксидно-фторидный расплав при температуре, близкой к 1000 °C, является чрезвычайно агрессивной средой, существенно ограничивающей выбор электродных материалов. Возможным решением, необходимым для успешного применения инертных анодов, является понижение рабочей температуры процесса на 150−200 °С за счёт изменения состава электролита. Несмотря на имеющиеся недостатки, низкотемпературный электролиз является перспективным направлением в технологии электролитического получения алюминия, и последние 10−15 лет все основные страны-производители уделяют ему значительное внимание.

Таким образом, решение вопросов коренного повышения производительности, снижения энергоёмкости и экологической опасности существующего производства, возможно за счёт комплексного использования новых электродных материалов и низкотемпературных электролитов. В связи с этим исследование взаимодействия инертного анода с оксидно-фторидным низкотемпературным расплавом при электролизе алюминия представляет большой научный и практический интерес.

Данная работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию взаимодействия металлических анодов с выделяющимся кислородом и низкотемпературным расплавом на основе КР-ЫаР-А1Р3-А120з при электролитическом получении алюминия.

Задачи диссертационной работы:

— разработка метода оценки коррозионной стойкости анодов из металлических сплавов при электролизе оксидно-фторидного расплава;

— исследование электрохимического поведения сплавов Си-Ре-№ при анодной поляризации в гальваностатическом и потенциостатическом режимах;

— определение кинетических характеристик основных физико-химических процессов, происходящих на Си-Ре-№ анодах при электролизе низкотемпературного расплава КР-МаР-А1Р3-А12С>3, осуществление прогноза ресурса;

— получение экспериментальных данных изменения структуры, фазового и химического состава наиболее стойких анодов в ходе длительного электролиза;

— выявление причин коррозионного разрушения по результатам длительных электролизных экспериментов, формулировка требований к составу и структуре сплавов, применяемых в качестве анодов для низкотемпературного электролиза.

Результаты работы могут быть использованы, в дальнейшем, при разработке инертных анодов для электрохимических производств.