ign="justify">      Концентрационное  перенапряжение η_с на аноде вызывается наличием градиента концентраций оксифторидных комплексов, и оно может быть заметно при приближении к анодному эффекту:

       ,                              

      где i_c – критическая плотность тока.

      Критическую плотность тока, отвечающую нулевой  концентрации этих комплексов у границы анод-электролит, можно оценить по уравнению Пионтелли:

       ,                

       . 

      Тогда концентрационное перенапряжение составит: 

       .

      Катодное  концентрационное перенапряжение η_кат зависит от катодной плотности тока i, криолитового отношения КО и скорости движения межфазной границы. Для его оценки существует эмпирическое выражение [8,9]: 

       ,                                  

       . 

      В результате ЭДС поляризации составляет:  

       .      

       

      Рассчитанное  значение ЭДС поляризации соответствует практическим данным для электролизеров С-8БМ и С-8Б [10].  

      2.5.2 Падение напряжения в аноде  

      Падение напряжения в аноде зависит от размеров анода, формы и размеров токоподводящих штырей, среднего расстояния до подошвы анода, удельного сопротивления анода и плотности тока. Для оценки тенденций влияний различных факторов на перепад напряжения в аноде полезно использовать эмпирическое уравнение М.А. Коробова [11]: 

       ,           

      где  l_ср – среднее расстояние от  всех  токоведущих штырей до подошвы анода, см;

      r_а – среднее удельное электросопротивление анода в интервале температур (750¸950) ^оС, Ом·см.

      Среднее  расстояние  от  штырей  до  подошвы  анода составляет: 

       ,               

           

      где l_min – минимальное расстояние от конца штыря до подошвы анода, 20¸25 см (принимаем 23 см);

      n_г –число горизонтов (n_г= 12);

      Dl – шаг между горизонтами – 3 см.

      Среднее удельное электросопротивление анода  рассчитывается по формуле: 

       ,          

      где t – средняя температура анодного массива, °С.

      Тогда величина падения напряжения в аноде  составит:

      2.5.3 Падение напряжения в электролите 

      Для расчёта падения напряжения в  электролите используется уравнение, предложенное Г.В. Форсбломом и В.П. Машовцом [12]: 

       ,    

                           

      где  p_эл – удельное электросопротивление электролита, Ом·см;

      2(L_a + B_a) – периметр анодного массива, см.

      Для расчета удельного электросопротивления найдем удельную электропроводность электролита по эмпирическому уравнению [13]:

       ,                                      

      где  Т – температура, К;

      x=1,430·[Na₃AlF₆]+1,854·[Li₃AlF₆]+3,856·[LiF]+0,576·[CaF₂]+0,595·[AlF₃]-

      -0,490·[Al₂O₃];

      y=47,61·[Na₃AlF₆]+50,56·[Li₃AlF₆]+55,90·[LiF]+33,94·[CaF₂]+59,54·[AlF₃]+

      +58,85·[Al₂O₃]+35,31[MgF₂]; члены в квадратных скобках – концентрации добавок, %_масс.

      Удельная  электропроводность электролита выбранного нами состава, %: 80,0 Na₃AlF₆; 4,0 Al₂O₃; 11,0 AlF₃; 5,0 CaF₂. (К.О.=2,23) составит:

             ;

             ; 

      

      Тогда удельное  электросопротивление электролита  составит: 

        .          

                        

      Падение напряжения в электролите составляет весомую долю напряжения на ванне, поэтому необходимо чётко следить за этой величиной. Так как электролизёр работает на повышенной силе тока, то необходимо снижать МПР для того, чтобы уменьшить количество тепла, генерируемого в электролите за счет протекания электрического тока. В проекте электролит выбран кислый, алюминий в нем растворяется очень слабо, степень протекания обратной реакции вблизи анода невысока, и это даёт возможность уменьшать МПР.

      Однако  не следует забывать, что величина междуполюсного расстояния очень сильно влияет на стабильность работы электролизёра, и значительное снижение МПР не допустимо. Исходя из данных таблицы 2, минимальное МПР при котором наблюдается стабильная работы электролизера, составляет 4,5 см. Падение напряжения в электролите при этом составит: 

       . 

      При расчете падения напряжения в  электролите необходимо учесть дополнительное сопротивление, создаваемое пузырьками газа под анодом.

      Дополнительное  падение напряжения, вызванное пузырьковым слоем, можно оценить по уравнению [14,15]: 

       ,              

                                    

      где  d_b – средняя толщина пузырькового слоя, см;

      χ_пуз – удельная электропроводность пузырькового слоя, 0,7- 2,0 Ом^-1·см^-1;

      Ф – фактор экранирования анода газом, д.е.

      Cреднюю толщину пузырькового слоя можно рассчитать по уравнению предложенному Хайдом и Велчем (Hyde и Welch), а также [15]: 

       .       

                    

      Данные  Аберга (Aberg) по экранированию анода  газом были дополнены данными Хаупина (Haupin) и использованы для расчета фактора экранирования по уравнению:

        ,  

      где  ВО – весовое криолитовое отношение  электролита равное КО/2;

      %Al₂O_3ае – концентрация глинозема в ванне во время анодного эффекта, %.

      Фактор экранирования: 

      

      Дополнительное  падение напряжения, вызванное пузырьковым  слоем, составит:

       .                                    

      С учетом этого значения падение напряжения в электролите составит:

       . 

      2.5.4 Падение напряжения в катодном устройстве

        

      При расчете падения напряжения в  катоде используется уравнение М.А. Коробова [16]:

       ,          

       ,                                   

      где  L_пр – приведенная длина пути тока по блоку, см;

      ρ_б – удельное электросопротивление блока, 20·10^-4 Ом·см (ТУ 1913-109-021-99);

      А – половина ширины шахты ванны, 207,5 см;

      B – ширина блока с учетом шва, 59 см;

      S – площадь поперечного сечения паза, (14,5×26) см²;

      а – ширина настыли, см. Ширина настыли  мощных электролизеров равна расстоянию борт-анод плюс 10-15 см [2], принимаем ширину настыли a=75 см.

      h и b – ширина и высота паза под блюмс, см (b=26 см, h=14,5 см).

      Падения напряжения в катоде составит:

       , 

      2.5.5 Падение напряжения  в ошиновке

      Падение напряжения в ошиновке рассчитывается по отдельным  элементам и прибавляют падение напряжения в контактах. 

      DU_а.ош. = r*L*I / S = 0,033*(11+3)*185000 / 528571 = 0,162 В 

      где: r - удельное электросопротивление алюминия, Ом*мм² / м;

      L – длина анодной ошиновки = 11м, и анодного стояка = 3м. 

      DU_к.ош. = 0,033*12*185000 / 528571 = 0,139 В 

      где: L – длина катодной ошиновки = 12м.

      Принимаются следующие падения напряжений в контактах, В: 

      Катодная  шина – гибкий пакет                                           0,003

      Гибкий  пакет – анодный стояк                                           0,002

      Анодный стояк – анодная шина                                         0,003

      Анодная шина – анодный штырь                                       0,002

      Катодный  стержень – спуск                                               0,006

      Катодный  спуск – катодная шина                                      0,005

      DU_ош. = DU_а.ош. + DU_к.ош. + падения в контактах = 0,162 + 0,139 + 0,021 = =0,322 В.

    2.5.6 Повышение напряжения от анодных эффектов

 

      Потери  напряжения от возникновения анодных  эффектов можно рассчитать, используя  уравнение:

       ,         

                                      

      где  k – количество анодных эффектов на один электролизер в сутки, шт.;

      U_АЭ. – напряжение анодного эффекта, В;

      t – продолжительность анодного эффекта, мин:

      1440 – количество минут в сутках.    

      Анодный эффект (АЭ) образуется в результате истощения растворенного глинозема в электролите, что приводит к выделению ионов фторидов. В начале анодного эффекта наблюдается медленное увеличение напряжения, за которым следует резкий скачок напряжения электролизера на 15-25 вольт и выше.

      Ранее АЭ рассматривался как необходимая особенность работы алюминиевого электролизера, поскольку использовался для управления электролизером и подачи глинозема; считалось, что АЭ «очищает» поверхность анода, выжигая неровности на поверхности и удаляя угольную пену.

      В настоящее время отрицательные свойства перекрывают положительные стороны, усилия направлены на устранение АЭ. Основным отрицательным моментом является выделение перфторуглеродных (ПФУ) газов плюс тот факт, что АЭ является причиной перегрева, приводит к потере энергии и расплавлению гарниссажа. Современные методы управления электролизером не зависят от частоты АЭ. Вместе с тем ведение электролиза в режиме, близком к АЭ (низкое содержание глинозема) может привести к случайным АЭ.