adsby.ru → Росія

Процеси на аноді та катоді. Електроліз глиноземних розплавів

Гасіння анодних ефектів

До цього часу спалахи та їх гасіння входять до числа технологічних операцій, що виконуються безпосередньо електролізником. Своєчасне та ефективне гасіння спалахів дозволяє економити електроенергію, знижувати втрати металу за рахунок вторинного окиснення, а також скорочувати викиди шкідливих речовин, що створюють парниковий ефект в атмосфері.

Виникнення спалаху сигналізується системою АСУТП. Персонал цеху сповіщається про неї звуковим та світловим сигналом. Час гасіння спалаху має становити 2-4 хв. Для гасіння спалаху кірка електроліту пробивається приблизно на чверть поздовжньої сторони і під анод вводиться дерев'яна жердина. Якщо спалах не гасне, необхідно ретельно перемішати глинозем з електролітом і повторити гасіння так, щоб більша частина підошви анода опинилась у зоні дії гасильної жердини.

Якщо ванна показала «тьмяний» або миготливий спалах, необхідно підняти анод до стійкого «ясного» спалаху і зробити його гасіння. Далі технолог зобов'язаний з'ясувати причину нестійкого спалаху (нерівність на аноді або його перекіс, запінь електроліту, гарячий хід та ін) і вжити заходів щодо її усунення.

Гасити спалах можна також за допомогою стисненого повітря, що вводиться під анод за допомогою сталевої трубки. Перед введенням під анод трубку слід прогріти на кірці електроліту до температури щонайменше 100ºС. Гасіння спалаху проводиться у такому порядку. Попередньо включається зменшена подача повітря, потім труба вводиться під анод шар металу і подається повний напір повітря. При гасінні спалаху бажано створювати пульсуючу подачу повітря, для чого кожні 2-3 секунди за допомогою вентиля необхідно перекривати мережу. Якщо з першого разу спалах не згас, гасіння повітрям повторюють або використовують дерев'яну жердину.

Під час анодного ефекту різко знижується змочування вугілля електролітом, що сприяє інтенсивному відділенню вугільної піни та очищенню електроліту. Тому, якщо електроліт сильно запінений, виникнення анодного ефекту слід використовуватиме зняття «сухої» вугільної піни. Можна також зігнати піну з кутів до центру поздовжніх сторін ванни для кращого згоряння, а кути і ділянки анода, що слабо працюють, прочистити скребками. До наступної обробки більшість цієї піни згоряє.

У електролізерів з великими глиноземними опадами і кислими електролітами можуть виникати спалахи, що не «гаснуть». Як правило, спалах, що не згасає, відбувається після змучування опадів або при невмілому гасіння звичайного спалаху. Природа таких спалахів інша, ніж звичайних спалахів: стрибок напруги при спалаху, що не згасає, обумовлений високим опором електроліту через появу в ньому великої кількості суспензії глиноземних опадів. Осад ізолює частину підошви анодів та викликає зростання контактного опору анод-електроліт. Тому звичайними методами спалах, що не згасає, не погасити і тривалість її може становити 30-40 хв і більше.

Для ліквідації спалаху, що не згасає, у ванні переплавляють деяку кількість твердого металу, одночасно піднімаючи анод і відриваючи його підошву від осаду. Якщо електроліт перегрітий, його охолоджують оборотним електролітом та свіжим кріолітом. У міру охолодження ванни частки глинозему осідають, опір електроліту знижується і напруга приходить у норму.

При тривалому спалаху такої природи можливе сильне перегрів ванни та початок утворення карбідів. В аварійному випадку для припинення спалаху, що не згасає, потрібно короткочасне зниження сили струму на серії або повне відключення електролізера за допомогою шунтів.

Якщо тривалий спалах – результат холодного ходу електролізера, то усунення його можливе шляхом підйому анода до стійкого ясного спалаху, прогрівання ванни та утеплення її глиноземом. У цій ситуації важливо не допустити змучування осаду та появи «негаснучого» спалаху з властивими їй характерними ознаками.

Винахід відноситься до галузі виробництва алюмінію електролізом у сольовому розплаві. Технічний результат – зниження кількості анодних ефектів. Винахід заснований на вимірі щонайменше одного першого сигналу електричної напруги U1 і другого сигналу електричної напруги U2 у двох різних місцях зазначеного електролізера та визначенні значення щонайменше одного показника анодного ефекту на основі порівняння зазначених сигналів U1 і U2. Винахід забезпечує просте, надійне та завчасне виявлення анодних ефектів. 5 н. та 41 з.п. ф-ли, 6 іл.

Малюнки до патенту РФ 2269609

Область техніки

Даний винахід стосується електролізерів для виробництва алюмінію шляхом електролізу глинозему, розчиненого в електроліті на основі розплавленого кріоліту, тобто за допомогою Холла-Еру. Воно стосується, зокрема, пристрою та способу виявлення анодних ефектів.

Попередній рівень техніки

Металевий алюміній отримують у промисловому масштабі електролізом розплавів, а саме шляхом електролізу глинозему, що знаходиться у вигляді розчину у ванні розплавленого кріоліту, званої електролітичної ванни або просто електролітом, тобто за допомогою добре відомого способу Холла-Еру. Електроліт міститься у ванні, що називається "електролізною ванною" і містить сталевий кожух, покритий зсередини вогнетривкими та/або ізолюючими матеріалами, і катодний пристрій, розташований у днищі ванни. Терміном "електролізер" зазвичай позначають установку, що містить електролізну ванну та один або кілька анодів.

Струм електролізу, що проходить в розплавленому електроліті і шарі рідкого алюмінію через аноди і катодні елементи, викликає реакції відновлення глинозему до алюмінію, а також забезпечує підтримку в електроліті температури порядку 950°С завдяки ефекту Джоуля. Електролізер регулярно подають глинозем для того, щоб компенсувати споживання глинозему за рахунок реакцій електролізу.

Одним з основних факторів, що дозволяють забезпечити рівномірний і безперебійний процес виробництва алюмінію електролізом глинозему, розчиненого в електроліті на основі розплаву кріоліту, є підтримання необхідного вмісту глинозему, розчиненого в цьому електроліті, і, отже, приведення у відповідність кількості витрат глинозему, що подається в електроліт у електролізній ванні.

Надлишок глинозему створює небезпеку забруднення дна ванни осадом нерозчиненого глинозему, який може трансформуватися у тверді пласти, що призводять до електричної ізоляції частини катода. Це явище сприяє освіті в металі, що знаходиться в електролізній ванні, дуже сильного горизонтального електричного струму, який при взаємодії з магнітним полем призводить до перемішування шару металу і є причиною нестійкості поверхні розділу електроліт - метал.

І, навпаки, недолік глинозему може, зокрема, призвести до появи "анодного ефекту", тобто до поляризації анода з різким стрибком напруги на висновках електролізера та виділенням великої кількості фтористих та фторвуглецевих продуктів CFx, підвищена здатність яких до поглинання інфрачервоних променів сприяє появі парниковий ефект.

На сьогоднішній день розроблено безліч способів регулювання з метою керування подачею глинозему.

У відомих промислових процесах вдаються до непрямої оцінки вмісту глинозему на підставі електричного параметра, що відображає концентрацію глинозему у вказаному електроліті. Таким параметром, як правило, є зміна електричного опору R на висновках електролізера, який знаходиться під напругою U, включаючи протиелектрорушійну силу Ue, що становить, наприклад, близько 1,65, і через який проходить струм I, при цьому R=(U- Ue)/I. Як правило, способи регулювання вмісту глинозему полягають у варіюванні подачі глинозему в залежності від значення R та його зміни у часі. Цей базовий принцип ліг основою багатьох, зокрема зовсім недавніх патентів (див., наприклад, французьку заявку FR 2749858, відповідну американському патенту US 6033550).

Таким чином, дані способи регулювання дозволяють підтримувати вміст глинозему в електроліті у вузькому та невисокому діапазоні та отримувати значення виходу по струму близько 95% для кислотних ванн, одночасно значно знижуючи число (або частотність) анодних ефектів у електролізних ваннах, яке визначають у вигляді числа анодних ефектів на одну ванну на день (АЕ/ванну/день) і називають "показником анодного ефекту". Для останніх електролізерів (з точковим пробиванням кірки) цей показник знаходиться в межах від 0,15 до 0,5 АЕ/ванну/день.

Дедалі більш жорсткі вимоги до явища виділення газів, що викликають парниковий ефект, змушують виробників алюмінію вести пошук засобів для ще більшого зниження показників анодних ефектів.

У зв'язку з цим заявник поставив перед собою завдання пошуку можливого вирішення цих проблем, яке було б економічним та застосовним у промисловому масштабі.

Сутність винаходу

Об'єктом цього винаходу є спосіб завчасного виявлення анодних ефектів в електролізері для виробництва алюмінію електролізом у сольовому розплаві, що полягає у вимірі першого сигналу електричної напруги U1 і щонайменше одного другого сигналу електричної напруги U2 у двох різних місцях зазначеного електролізера та у визначенні значення щонайменше одного показника A небезпеки виникнення анодного ефекту (або "завчасного показника A анодного ефекту") на основі аналізу зазначених сигналів U1, U2, ... з можливістю раннього та завчасного виявлення підвищеної небезпеки виникнення анодного ефекту.

Завчасний показник A анодного ефекту зазвичай визначають з урахуванням порівняння сигналів U1, U2, .... Точніше показник А (чи показники А1, A2, ...) зазвичай визначають з урахуванням функції F (U1, U2, U3, ...) , Називається функцією порівняння, яка переважно дозволяє кількісно визначити розкид сигналів, а точніше відхилення Е між сигналами U1, U2, U3, ....

Наприклад, у більш простому варіанті цього винаходу показник А може бути отриманий у вигляді відхилення алгебри між двома значеннями електричної напруги при вимірюванні двох сигналів напруги або у вигляді відхилення алгебри між двома крайніми значеннями (наприклад, між найбільш віддаленими один від одного сигналами) або щонайменше мері між двома сигналами при вимірі більше двох сигналів напруги. Згідно з іншим варіантом, показник А може бути визначений статистичним шляхом, наприклад у вигляді типового відхилення між усіма сигналами. Він може бути визначений за допомогою аналогової обробки або більш досконалої цифрової обробки.

Показник або показники А переважно визначають на основі тимчасової зміни функції порівняння F (U1, U2, ...), зазвичай на основі тимчасової зміни щонайменше одного відхилення Е між сигналами Ui (наприклад, відхилення алгебри, типового відхилення і т.д. ). Іншими словами, заздалегідь A анодного ефекту може бути отриманий у вигляді показника B тимчасової зміни функції порівняння.

Заявник несподівано зауважив, що більша частина анодних ефектів зароджується задовго (аж до кількох десятків хвилин) до фактичного настання анодного ефекту і що це зародження відповідає початку поляризації, що виражається у зміні розподілу електричної напруги в електролізері, зокрема поблизу аноду, схильного до поляризації. Він також зауважив, що вимірювання напруги щонайменше у двох різних місцях електролізера забезпечує надійне та завчасне виявлення зародження анодного ефекту.

Перевагою вимірювань електричної напруги є їх економічність та можливість автоматизації.

Об'єктом цього винаходу є спосіб регулювання електролізера для виробництва алюмінію електролізом в сольовому розплаві, що включає в себе спосіб завчасного виявлення анодного ефекту у відповідності з цим винаходом.

Об'єктом цього винаходу є також пристрій для завчасного виявлення анодних ефектів в електролізері для виробництва алюмінію електролізом в сольовому розплаві, виконаний з можливістю реалізації способу виявлення у відповідності з цим винаходом і що містить щонайменше один перший засіб вимірювання першого сигналу електричної напруги U1 на вказаному електролізері, щонайменше один другий засіб вимірювання другого сигналу електричної напруги U2 на вказаному електролізері та щонайменше один засіб визначення показника A анодного ефекту на основі аналізу зазначених сигналів електричної напруги U1, U2, ..., зазвичай на основі порівняння останніх і, у разі необхідності, з урахуванням кількісного визначення тимчасових змін відхилень між цими сигналами.

Об'єктами цього винаходу є електролізер і система регулювання електролізера для виробництва алюмінію електролізом в сольовому розплаві, що містять пристрій для завчасного виявлення анодного ефекту у відповідності з цим винаходом.

Фіг.1 являє собою зображення в поперечному розрізі типового електролізера, що використовує попередньо обпалені аноди з углеродсодержащего матеріалу.

Фіг.2 ілюструє спосіб вимірювання напруги на виводах електролізної ванни відповідно до цього винаходу.

Фіг.3 є схематичним зображенням пристрою для завчасного виявлення анодного ефекту у відповідності з цим винаходом.

Фіг.4 являє собою схематичне зображення частини пристрою для заздалегідь виявлення анодного ефекту у відповідності з цим винаходом.

Фіг.5 і 6 являють собою зображення сигналів напруги та струму, виміряних на електролізері у відповідності з цим винаходом.

Детальний опис винаходу

Даний винахід переважно застосовується на електролізері (1) для алюмінію шляхом електролітичного відновлення глинозему, розчиненого в електроліті (15) на основі кріоліту, тобто за допомогою способу електролізу Холла-Еру.

Як показано на фіг.1, електролізер (1) для виробництва алюмінію за допомогою способу електролізу Холла-Еру в типовому виконанні містить електролізну ванну (20), щонайменше один анод (13), щонайменше один катод (5) та засоби (18) подачі глинозему. Ванна (20) має внутрішні бічні стінки (3) та виконана з можливістю її заповнення розплавленим електролітом (15). Електролізер (1) виконаний з можливістю проходження через зазначений електроліт так званого струму електролізу силою I. Одержуваний шляхом зазначеного відновлення алюміній зазвичай утворює шар (16), званий шаром рідкого металу на катоді або катодах (5). Аноди (13) зазвичай закріплені за допомогою засобів (11, 12) кріплення на анодній рамі (10), яка може бути виконана рухомою. Ванна (20) зазвичай містить сталевий кожух (2), елементи (3) внутрішньої футеровки і катодні елементи (5, 6), що містять струмовідвідні стрижні (або катодні стрижні) (6), до яких прикріплені електричні провідники (7, 8) передачі струму електролізу.

Як правило, кілька електролізерів встановлюють послідовно у вигляді електролізної серії. Струм, званий "струмом електролізу" (загальна сила якого становить Io), проходить через електролізери і розподіляється між ними. Струм електролізу проходить в електроліті (15) від анода або анодів (13) до катода (5). Він проходить від одного електролізера до іншого через сполучні шини (7-12), а точніше через катодні сполучні шини (6, 7, 8) ванни, званої "вхідний", і через анодні сполучні шини (9, 10, 11, 12) наступної ванни, званої "вихідний".

Метою подачі глинозему електролізер є компенсація практично безперервного споживання глинозему електролізером, в основному в результаті його відновлення до металевого алюмінію. Подача глинозему відбувається шляхом додавання глинозему до розплавленого електроліту (15) і, як правило, регулюється окремо. Засоби (18) подачі зазвичай включають дозатори-перфоратори (19), виконані з можливістю пробивання кірки (14) глинозему та введення порції глинозему в отвір (19а), утворене в глиноземній кірці після пробивання.

Металевий алюміній (16), що отримується в ході електролізу, зазвичай накопичується на дні ванни, при цьому між рідким металом (16) і електролітом (15) на основі розплавленого кріоліту утворюється чітка поверхня розділу. Положення цієї поверхні розділу "електроліт - метал" з часом змінюється: її рівень підвищується в міру накопичення рідкого металу на дні ванни і знижується при витягуванні рідкого металу з ванни.

Згідно з кращим варіантом реалізації цього винаходу, спосіб завчасного виявлення анодного ефекту в електролізері (1) для виробництва алюмінію електролізом в сольовому розплаві відрізняється тим, що містить:

Вимірювання першого сигналу електричної напруги U1 між першою катодною точкою вимірювання (301-304) на катодній сполучній шині (6, 7, 8) та першою анодною точкою вимірювання (311-314) на анодній сполучній шині (9, 10, 11, 12) ;

Вимірювання щонайменше одного другого сигналу електричної напруги U2 між другою катодною точкою вимірювання (301-304) на катодній сполучній шині (6, 7, 8) і другий точкою анодної вимірювання (311-314) на анодній сполучній шині (9, 10, 11, 12), при цьому щонайменше одна з цих точок вимірювання відрізняється від зазначених перших точок вимірювання;

Визначення значення щонайменше однієї функції F (U1, U2, ...) порівняння сигналів за певний період Т;

Визначення значення щонайменше одного показника A небезпеки виникнення анодного ефекту на основі вказаної або вказаної функції порівняння.

Певний період часу Т, який є змінним параметром способу відповідно до цього винаходу, може бути нікчемним (нульовим) або майже нікчемним (наприклад, він може дорівнювати калібрувальному періоду Те=1/Fe). Виявилося доцільним використовувати досить тривалий період Т для того, щоб усунути випадкові коливання значень напруги Ui.

Переважно передбачають вимірювання кількох різних сигналів електричної напруги U1, U2, U3, ..., як показано на фіг.3. Іншими словами, спосіб виявлення відповідно до цього винаходу містить вимірювання числа N сигналів електричної напруги Ui, при цьому N переважно має бути більше 2. Використання декількох сигналів дозволяє підвищити надійність завчасного виявлення і більш точно локалізувати зону ванни, в якій може виникнути анодний ефект . Таким чином, операція, що запобігає анодному ефекту, могла б містити, наприклад, локальну зміну подачі глинозему (зазвичай у зоні, виявленій за допомогою зазначених вимірювань).

У способі виявлення відповідно до цього винаходу зазначені сигнали електричної напруги Ui (тобто U1, U2, U3, ... Un) зазвичай вимірюють в залежності від часу. Як правило, їх вимірюють за допомогою аналогових засобів, а потім перетворюють на цифрові сигнали для подальшої обробки.

Функцію F (U1, U2, ...) порівняння можна отримати у вигляді еквівалентної функції F" (TU1, TU2, ...), в якій як незалежні змінні використовують попередньо оброблені сигнали TU1, TU2, ..., тобто сигнали TU1, TU2, ..., отримані в результаті попередньої обробки сигналів U1, U2, .... Зазвичай попередня обробка містить калібрування при певній частоті Fe реальних сигналів U1, U2, ... і, у разі потреби, одну (або кілька) додаткову операцію обробки щонайменше одного з сигналів.Ці операції зазвичай вибирають з операцій, що включають частотне фільтрування (фільтр нижніх частот, смуговий фільтр або інші фільтри), первинне калібрування, розрахунок щонайменше одного середнього значення (такого як середнє, можливо ковзне значення RMS (корінь середньо-квадратичної величини), яке може бути розраховане за допомогою відношення Urms=((Ui(j)-Ur) 2 /m), де Ui(j) є значенням напруги Ui в момент часу j, Ur - конт рольне значення, можливо, нікчемне, і m – число членів суми; це ж відношення може бути використане для розрахунку середнього значення TUrms попередньо оброблених сигналів TUi), а також можуть використовуватися відомі математичні операції (такі як розрахунок різниці між кожним сигналом Ui або попередньо обробленим сигналом TUi та контрольним значенням Uo, яке може бути середнім значенням Um сигналів Ui або попередньо оброблених сигналів (TUi). Ці операції можуть бути комбіновані. Переважно процес попередньої обробки включають фільтр антизгортання нижніх частот. Сигнали можуть оброблятися аналоговим та/або цифровим способом. Можна також попередньо обробляти лише деякі сигнали Ui.

Операція частотного фільтрування може бути різних типів. Переважно використовувати фільтр типу фільтра нижніх частот. Критична частота цього фільтра переважно знаходиться в межах 0,001 до 1 Гц.

Переважно також використовувати смуговий фільтр. Нижня і верхня критичні частоти частотного смугового фільтра переважно знаходяться в межах відповідно від 0,001 до 1 Гц і від 1 до 10 Гц (зазвичай від 0,5 до 5 Гц).

Згідно з однією формою реалізації цього варіанту, попередня обробка включає два частотні фільтрування: одне за допомогою фільтра нижньої частоти (з критичною частотою, як правило, дорівнює приблизно 0,5 Гц), в результаті якого отримують перший попередньо оброблений сигнал TUi, а інше - за допомогою смугового фільтра (з нижньою критичною частотою, як правило, дорівнює приблизно 0,5 Гц, і з верхньою критичною частотою, як правило, дорівнює приблизно 5 Гц), в результаті якого отримують другий попередньо оброблений сигнал TUi". Згідно з цією формою реалізації, способі використовуються дві функції порівняння F, одна з яких застосовується для сигналів TUi, а інша - для сигналів TUi".

Згідно з іншою формою реалізації цього варіанту, попередня обробка включає три частотні фільтрування: одне за допомогою фільтра нижньої частоти (з критичною частотою, як правило, дорівнює приблизно 0,003 Гц), в результаті якого отримують перший попередньо оброблений сигнал TUi, інше - за допомогою смугового фільтра (з нижньою критичною частотою, як правило, дорівнює приблизно 0,003 Гц, і з верхньою критичною частотою, як правило, дорівнює приблизно 0,5 Гц), в результаті якого отримують другий попередньо оброблений сигнал TUi", і третє - за допомогою смугового фільтра (з нижньою критичною частотою, як правило, дорівнює приблизно 0,5 Гц, і з верхньою критичною частотою, як правило, дорівнює приблизно 5 Гц), в результаті якого отримують третій попередньо оброблений сигнал TUi". Згідно з цією формою реалізації, у способі використовуються три функції порівняння F, одна з яких застосовується для сигналів TUi, інша - для сигналів TUi", а третя - для сигналів TUi".

У кращому варіанті реалізації цього винаходу щонайменше одну зазначену функцію порівняння F (U1, U2, ...) (або, можливо, F" (TU1, TU2, ...)) одержують у вигляді відхилення Е між зазначеними сигналами (U1 , U2, U3, ...) або між попередньо обробленими сигналами (TU1, TU2, ...) Зокрема, функцію порівняння F (U1, U2, ...) можна отримати у вигляді відхилення Е між щонайменше двома сигналами напруги U1, U2, ... або між щонайменше двома попередньо обробленими сигналами напруги TU1, TU2, .... Відхилення Е може бути отримано у вигляді відхилення алгебри між сигналами Ui або попередньо обробленими сигналами TUi, наприклад, у вигляді найбільшої різниці між усіма сигналами Ui або попередньо обробленими сигналами TUi (зазвичай різниця між крайніми сигналами на даний момент або за даний період часу) Відхилення Е може бути також отримано у вигляді типового відхилення між сигналами Ui або попередньо обробленим та сигналами TUi.

Щонайменше один завчасний показник A анодного ефекту може дорівнювати функції порівняння F (U1, U2, ...) або F" (TU1, TU2, ...).

Значення щонайменше одного показника A небезпеки виникнення анодного ефекту може бути також визначено на основі тимчасових змін зазначеної або вказаних функцій порівняння F або F". Ці зміни можуть бути отримані у вигляді показника тимчасової зміни функції порівняння F (U1, U2, .. .) або F" (TU1, TU2, ...). У більш простому варіанті реалізації функцію порівняння F (U1, U2, ...) отримують у вигляді відхилення Е між щонайменше двома сигналами напруги U1, U2, ... або між щонайменше двома попередньо обробленими сигналами напруги TU1, TU2, ..., а показник зміни може бути пропорційним різниці між значенням E (t) відхилення Е в момент часу t і його значенням E (t-to) в момент часу t-to, де to є коригованим параметром.

Показник А може свідчити про високу небезпеку виникнення анодного ефекту, коли його значення перевищує задану граничну величину S. Зазвичай спосіб дозволяє виявити цю високу небезпеку, коли значення відхилення Е (і в цілому Е (t)) перевищує задану граничну величину Se або коли зміна значення функції порівняння F або F" перевищує задану граничну величину St.

У кращому варіанті реалізації цього винаходу спосіб виявлення додатково містить тестову операцію, що дозволяє визначити схильність електролізера до виникнення анодного ефекту. Ця тестова операція зазвичай включає в себе тимчасове зменшення витрати подається в електролізер глинозему (відповідне недостатній подачі глинозему), при цьому дане зменшення, як правило, становить від 20 до 100% від середньої витрати глинозему, що подається (100% відповідає припиненню подачі глинозему). Наприклад, випробування, проведені заявником, показали, що тимчасове зменшення витрати глинозему, що подається в електролізер, і навіть тимчасове припинення цієї подачі може значно збільшити розкид значень напруги Ui або попередньо оброблених значень напруги TUi, коли електролізер знаходиться в стані підвищеної небезпеки виникнення анодного ефекту.

Спосіб регулювання згідно з цим винаходом переважно містить операцію запобігання анодним ефектам, яка дозволяє усунути заздалегідь виявлені анодні ефекти і яку можна активувати при завчасному виявленні анодного ефекту. Цю операцію зазвичай запускають залежно від значення функції F (або F"), як правило, тоді, коли відхилення між щонайменше двома сигналами Ui або між щонайменше двома попередньо обробленими сигналами TUi перевищує задану граничну величину Se або коли тимчасова зміна цього відхилення перевищує задану граничну величину St.

Операція запобігання зазвичай включає в себе зміну положення анода або анодів по відношенню до катода або катодів, підвищення витрати глинозему, що подається, по відношенню до нормальної витрати подається глинозему або комбінацію цих операцій.

Спосіб регулювання переважно повинен враховувати виробничі операції, у ході яких може виникнути спотворення значень функції F (або F) і, отже, показника або показників А, такі як заміни анода.

Для виконання операції запобігання анодного ефекту електролізер (1) переважно містить щонайменше один засіб регулювання, такий як рухлива анодна рама (10), на якій закріплений анод або аноди (13), або засіб керування засобами (18, 19) подачі глинозему.

Переважно спосіб регулювання додатково містить:

Вимірювання щонайменше одного сигналу напруги UA на щонайменше одному електролізері, розташованому на вході та/або на виході;

Порівняння сигналу (або сигналів) UA з сигналами U1, U2, ... (або попередньо обробленими сигналами TU1, TU2, ...) для відсіювання з сигналів U1, U2, ... або попередньо оброблених сигналів TU1, TU2, . .. випадкових коливань (або "перешкод") від сусідніх електролізерів або, можливо, від усієї виробничої лінії, що є електролізною серією.

Згідно з іншим варіантом цього винаходу, спосіб регулювання додатково містить:

Вимірювання щонайменше одного сигналу сили струму I електролізері;

Порівняння сигналу (або сигналів) I з сигналами U1, U2, ... (або попередньо обробленими сигналами TU1, TU2, ...) для відсіювання з сигналів U1, U2, ... або попередньо оброблених сигналів TU1, TU2, . .. випадкових коливань (або "перешкод"), загальних для всієї електролізної серії, що включає ряд електролізерів.

Сила струму I є загальною силою струму Io, що проходить через електролізери. Можна також використовувати силу I інших струмів, що проходять через електролізну серію, таких як струм, що проходить через анод, через сполучну шину або катодний стрижень.

Цей варіант реалізації винаходу дозволяє, зокрема, зменшити співвідношення, зване "сигнал/перешкода".

Згідно з кращим варіантом реалізації цього винаходу, пристрій завчасного виявлення анодного ефекту в електролізер для виробництва алюмінію в сольовому розплаві відрізняється тим, що містить:

Щонайменше один перший засіб (321-344) для вимірювання першого сигналу електричної напруги U1 між першою катодною точкою вимірювання (301-304) на катодній сполучній шині (6, 7, 8) і першою точкою анодної вимірювання (311-314) на анодної сполучної шині (9, 10, 11, 12);

Щонайменше один другий засіб (321-344) для вимірювання другого сигналу електричної напруги U2 між другою катодною точкою вимірювання (301-304) на катодній сполучній шині (6, 7, 8) і другою точкою анодної вимірювання (311-314) на анодної сполучної шині (9, 10, 11, 12), при цьому щонайменше одна з цих точок вимірювання відрізняється від зазначених перших точок виміру;

Щонайменше один засіб (351-354, 40) для визначення значення щонайменше однієї функції F (U1, U2, ...) або F" (TU1, TU2, ...) порівняння сигналів за певний період Т;

Щонайменше один засіб (50) для визначення значення щонайменше одного показника A небезпеки виникнення анодного ефекту на основі функції або функції F або F".

Пристрій може містити засіб для визначення значення щонайменше одного показника A небезпеки виникнення анодного ефекту на основі тимчасових змін зазначеної або зазначених функцій F або F".

Засоби вимірювання сигналів електричної напруги U1, U2, ... переважно містять електричні провідники (32, 321, 322, 323, 324, ..., 33, 331, 332, 334, ...), як правило, у вигляді проводів або кабелів, один кінець яких з'єднаний з точкою вимірювання (30, 301, 302, 303, 304, ..., 31, 311, 312, 313, 314, ...) на електролізері, а інший кінець з'єднаний із засобом (34 , 341, 342, 343, ...) вимірювання напруги, таким як вольтметр. Точки виміру (30, 301, ..., 31, 311, ...) електричної напруги можуть бути виконані за допомогою будь-якого відомого засобу, наприклад, за допомогою гвинтів, гнізд і т.д.

Деякі засоби (30, 31, 32, 33, 34, ...) вимірювання напруги можуть бути постійно закріплені на електролізері. Переважно їх встановлюють на нерухомих частинах електролізера, таких як нерухомі шини (7, 8, 9, 10), що, зокрема, дозволяє уникнути переривання вимірювань та повторної установки засобів вимірювання під час операцій заміни анода.

Зазначені сигнали електричної напруги U1, U2, U3, ... переважно вимірюють між колектором (8) і стояком (9), переважно в нижній частині (9а) зазначеного стояка (як показано на фіг.2), що, зокрема, дозволяє спростити систему з'єднувальних кабелів (32, 321, 322, ..., 33, 331, ...) та полегшити доступ до точок вимірювання (30, 301, ..., 31, 311, ...).

Сигнали S (S1, S2, ...), що генеруються засобами вимірювання (34, 341, 342, ...) та еквівалентні сигналам напруги U1, U2, ..., передаються на аналізатор або компаратор (40) за допомогою засобів ( 35, 351, 352, 353, 354, ...) передачі, таких як електричні провідники, радіохвилі, оптичні засоби або будь-які інші засоби.

Засоби (351-354, 40) для визначення щонайменше однієї функції F (або F") порівняння зазначених сигналів напруги Ui переважно містять щонайменше один засіб (401-404) попередньої обробки для попередньої обробки щонайменше одного із сигналів Ui або еквівалентних сигналів Si. Засіб попередньої обробки зазвичай містить щонайменше один частотний фільтр, переважно фільтр нижньої частоти або смуговий фільтр. містити також один або кілька елементів, зазвичай вибраних із групи, до якої входять аналогово/цифрові перетворювачі (АЦП), підсилювачі (G), частотні фільтри (фільтри нижньої частоти, смугові фільтри або інші фільтри), засоби обчислення середнього значення сигналу (типу RMS) або іншого типу), засоби обчислення середнього значення Um щонайменше одного сигналу Ui або кілька х сигналів Ui та відомі апаратні та/або програмні засоби для здійснення математичних операцій (такі як засоби для здійснення віднімання контрольного значення Uo і, зокрема, для розрахунку різниці між кожним сигналом U1, U2, ... або попередньо обробленим сигналом TU1, TU2 , ... і контрольним значенням Uo, причому Uo зазвичай є середнім значенням Um). Якщо пристрій містить фільтр нижньої частоти, критична частота такого фільтра нижньої частоти зазвичай знаходиться в межах від 0,001 до 1 Гц. Коли пристрій містить смуговий фільтр, нижня та верхня критичні частоти такого смугового фільтра зазвичай знаходяться в межах відповідно від 0,001 та 1 Гц та від 1 до 10 Гц. Пристрій може також містити засіб визначення середнього значення Um сигналів U1, U2, ... або попередньо оброблених сигналів TU1, TU2, ....

Пристрій може також містити засіб (40, 411) для визначення відхилення Е (і в цілому Е (t)) (такого як відхилення алгебри, типове відхилення і т.д.) між щонайменше двома сигналами напруги U1, U2, .. або між щонайменше двома попередньо обробленими сигналами TU1, TU2, ....

Пристрій може також містити засіб для визначення тимчасової зміни щонайменше однієї функції F (U1, U2, ...) або F" (TU1, TU2 ...) порівняння сигналів, такий як тимчасова зміна відхилення Е (і, зокрема , E (t)) між щонайменше двома сигналами напруги U1, U2, ... або між щонайменше двома попередньо обробленими сигналами TU1, TU2, ....

Засоби визначення функції F (або F") (40, 401, ..., 404, 411) і засоби (50) для визначення показника A анодного ефекту переважно можуть бути об'єднані в один блок, зазвичай за допомогою загальної електронної схеми і/ або програмне забезпечення.

Переважно система регулювання електролізера відповідно до цього винаходу може додатково містити:

Засіб для вимірювання щонайменше одного сигналу напруги UA на щонайменше одному електролізері, розташованому на вході та/або на виході;

Засіб для порівняння сигналу (або сигналів) UA з сигналами U1, U2, ... (або попередньо обробленими сигналами TU1, TU2, ...) для відсіювання цих сигналів випадкових коливань (або "перешкод") від сусідніх електролізерів і, можливо , від усієї виробничої лінії із з'єднаних в електролізну серію електролізерів.

Згідно з іншим варіантом реалізації цього винаходу, система регулювання додатково містить:

Засіб для вимірювання щонайменше одного сигналу сили I струму електролізу (зазвичай загальної сили I струму, що проходить через електролізери);

Засіб для порівняння сигналу (або сигналів) I з сигналами U1, U2, ... (або попередньо обробленими сигналами TU1, TU2, ...) для відсіювання цих сигналів випадкових коливань (або "перешкод"), загальних для всієї виробничої лінії із з'єднаних в електролізну серію електролізерів.

Вимірювання електричної напруги та сили струму були зроблені на електролізері, яким проходить струм загальною силою приблизно 500 кА. Вимірювання проводилися протягом кількох тижнів. Шість сигналів напруги Ui були виміряні у шести різних місцях електролізера між різними анодними точками вимірювання та катодними точками вимірювання. Був також виміряний залежно від часу струм, що проходить шість різних анодів.

На фіг.5 і 6 показані результати, отримані за період 24 години, протягом якого спостерігався анодний ефект (позначений як "АЕ"). Фіг.5 відповідає сигналам струму Ui (графік А) та напруги Ui (графік В) в залежності від часу t, оцифрованим і попередньо обробленим за допомогою фільтра нижньої частоти, критична частота якого дорівнювала 0,5 Гц. Фіг.6 відповідає тим же оцифрованим сигналам, але попередньо обробленим за допомогою смугового фільтра з критичними частотами 0,5 Гц та 5 Гц. На обох фігурах графік показує відхилення між кожним відфільтрованим сигналом напруги Ui і середнім значенням Um шести відфільтрованих сигналів напруги. Літери "ЗА" позначають момент заміни анода.

За кілька десятків хвилин до анодного ефекту (позначеного на фігурах як "АЕ") відзначалося поступове збільшення розкиду сигналів (зокрема сигналів, відфільтрованих по нижній частоті). Один або кілька анодів почали частково поляризуватися, при цьому зони поляризації збільшувалися відносно повільно.

На фіг.5 показано, що розкид відфільтрованих по нижній частоті сигналів поступово збільшувався до поляризації. Зокрема, розкид збільшився значно (від 9 до більше 30 мВ), починаючи з моменту за 90 хвилин до сильної поляризації, що спостерігається після тимчасового припинення подачі глинозему (позначеного на фіг.5 літерами "ППГ"). Аналогічно розкид збільшився значно (від 7,5 до 12 мВ мВ) за 30 хвилин до анодного ефекту, позначеного на фіг.5 літерами "АЕ". І тут функція порівняння може бути представлена найбільшим відхиленням між двома сигналами Ui-Um.

Спостерігалося також збільшення розкиду сигналів під час заміни анода (позначеної на фіг.5 літерами "ЗА"). У цьому випадку збільшення було миттєвим (у вигляді різкого стрибка від 8,5 до 15 мВ). Ці спостереження можна використовувати для коригування показників небезпеки виникнення анодного ефекту, щоб уникнути відомих спотворень і, зокрема, спотворень, пов'язаних з операціями на ванні або деякими спеціальними регулюваннями.

Фіг.6 дозволяє отримати інший прогноз поведінки сигналів, відфільтрованих за допомогою смугового фільтра. Тут також відзначається збільшення розкиду (у разі від 0,2 мВ до більш ніж 0,4 мВ) у ситуаціях небезпеки виникнення анодного ефекту.

Комбінацію цих даних можна використовувати для вироблення синтетичних показників небезпеки виникнення анодного ефекту, які дозволяють завчасно виявити анодні ефекти з великим ступенем надійності та застосувати відповідну запобігаючу операцію для усунення небезпеки їх виникнення.

Список цифрових позначень

(1) електролізер

(3) внутрішнє футерування (внутрішня бічна стінка)

(4) внутрішнє футерування (вогнетривка цегла)

(6) струмовідвідний стрижень або катодний стрижень

(7) сполучна катодна шина

(8) сполучна катодна шина (колектор)

(9) сполучна анодна шина (стояк)

(9а) нижня частина стояка

(10) анодна рама

(11) засіб встановлення та кріплення анода (анодний стрижень)

(12) засіб кріплення анода

(14) шар (або кірка) глинозему

(15) розплавлений електроліт

(16) шар рідкого металу

(17) шар застиглого електроліту

(19) дозатор-перфоратор

(19а) отвір у кірці глинозему

(30) (301)(302)...(31) (311)(312)... точки вимірювання електричної напруги

(32) (321)(322)(323)...(33) (331)(332)(333)... електричний провідник

(34) (341)(342)(343)... засіб вимірювання електричної напруги

(35) (351)(352)(353)... засіб передачі

(40, 401, ..., 404, 411) засоби визначення функції F порівняння

(50) засіб визначення показника A анодного ефекту.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Спосіб завчасного виявлення анодного ефекту в електролізері (1) для виробництва алюмінію електролізом у сольовому розплаві, причому зазначений електролізер містить щонайменше один анод (13), щонайменше один катод (5) і сполучні катодні (6, 7, 8) ) та анодні (9, 10, 11, 12) шини, що відрізняється тим, що містить вимір першого сигналу електричної напруги U1 між першою катодною точкою вимірювання (301-304) на сполучній катодній шині (6, 7, 8) та першою анодною точкою вимірювання (311-314) на сполучній анодній шині (9, 10, 11, 12); вимірювання щонайменше одного другого сигналу електричної напруги U2 між другою катодною точкою вимірювання (301-304) на сполучній катодній шині (6, 7, 8) і другий точкою анодної вимірювання (311-314) на сполучній анодній шині (9, 10, 11, 12), при цьому щонайменше одна з цих точок вимірювання відрізняється від зазначених перших точок вимірювання; визначення значення щонайменше однієї функції F (U1, U2, ...) порівняння сигналів за певний період Т; визначення значення щонайменше одного показника А небезпеки виникнення анодного ефекту на основі зазначеної або вказаної функції порівняння.

2. Спосіб виявлення за п.1, який відрізняється тим, що функцію F (U1, U2, ...) отримують у вигляді еквівалентної функції F" (TU1, TU2, ...), в якій як незалежні змінні використовують сигнали TU1 , TU2,..., отримані в результаті попередньої обробки сигналів U1, U2, ....

3. Спосіб виявлення за п.2, який відрізняється тим, що попередня обробка включає калібрування сигналів U1, U2, ... на певній частоті Fe.

4. Спосіб виявлення по п.2 або 3, який відрізняється тим, що попередня обробка включає операцію частотного фільтрування щонайменше одного з цих сигналів.

5. Спосіб виявлення за п.4, який відрізняється тим, що операція частотного фільтрування є фільтруванням нижньої частоти.

6. Спосіб виявлення за п.5, який відрізняється тим, що критична частота при операції частотного фільтрування нижньої частоті знаходиться в межах від 0,001 до 1 Гц.

7. Спосіб виявлення за п.4, який відрізняється тим, що операція частотного фільтрування є смуговим фільтруванням.

8. Спосіб виявлення за п.7, який відрізняється тим, що нижня і верхня критичні частоти при операції частотного смугового фільтрування знаходяться в межах від 0,001 до 1 Гц і від 1 до 10 Гц.

9. Спосіб виявлення за п.2 або 3, який відрізняється тим, що попередня обробка включає щонайменше одну операцію первинного калібрування.

10. Спосіб виявлення за п.2 або 3, який відрізняється тим, що попередня обробка включає в себе розрахунок щонайменше одного середнього значення щонайменше одного сигналу Ui.

11. Спосіб виявлення за п.10, який відрізняється тим, що середнє значення є середньоквадратичним значенням.

12. Спосіб виявлення за п.2 або 3, який відрізняється тим, що попередня обробка включає розрахунок різниці між кожним сигналом Ui або попередньо обробленим сигналом TUi і контрольним значенням Uo.

13. Спосіб виявлення за п.12, який відрізняється тим, що контрольне значення Uo є середнім значенням Um сигналів Ui або попередньо оброблених сигналів TUi.

14. Спосіб виявлення за будь-яким з пп.1-3, який відрізняється тим, що функцію F (U1, U2, ...) порівняння отримують у вигляді відхилення Е між щонайменше двома сигналами напруги U1, U2 або між щонайменше двома попередньо обробленими сигналами TU1, TU2, ....

15. Спосіб виявлення за п.14, який відрізняється тим, що відхилення Е отримують у вигляді відхилення алгебри між сигналами Ui або попередньо обробленими сигналами TUi.

16. Спосіб виявлення за п.14, який відрізняється тим, що відхилення Е одержують у вигляді типового відхилення між сигналами Ui або попередньо обробленими сигналами TUi.

17. Спосіб виявлення за будь-яким з пп.1-3, який відрізняється тим, що зазначений щонайменше один показник А дорівнює функції F (U1, U2, ...) або F" (TUI, TU2, ...) порівняння.

18. Спосіб виявлення за будь-яким з пп.1-3, який відрізняється тим, що зазначений щонайменше один показник А отримують у вигляді показника тимчасової зміни функції F (U1, U2, ...) або Р (TU1, TU2, . ..) порівняння.

19. Спосіб виявлення за п.18, який відрізняється тим, що функцію F (U1, U2, ...) порівняння отримують у вигляді відхилення між щонайменше двома сигналами напруги U1, U2, ... або між щонайменше двома попередньо обробленими сигналами напруги TU1, TU2, ..., і показник зміни пропорційний різниці між значенням Е (t) відхилення Е в момент часу t і його значенням Е (t-to) на момент часу t-to, де to є коригованим параметром .

20. Спосіб виявлення за п.17, який відрізняється тим, що показник А свідчить про підвищену небезпеку виникнення анодного ефекту, коли його значення перевищує задану граничну величину.

21. Спосіб за будь-яким з пп.1-3, який відрізняється тим, що він містить тестову операцію, що дозволяє визначити схильність електролізера до виникнення анодного ефекту.

22. Спосіб за п.21, який відрізняється тим, що тестова операція містить тимчасове зменшення витрати подається в електролізер глинозему.

23. Спосіб виявлення за будь-яким з пп.1-3, який відрізняється тим, що він містить вимірювання N сигналів електричної напруги Ui, при цьому N перевищує 2.

24. Спосіб регулювання електролізера, який відрізняється тим, що виявлення анодного ефекту здійснюють способом за будь-яким з пп.1-23.

25. Спосіб регулювання п.24, який відрізняється тим, що він додатково містить операцію запобігання анодного ефекту.

26. Спосіб регулювання за п.25, який відрізняється тим, що операція запобігання містить операцію, вибрану з групи, в яку входять зміна положення анода або анодів по відношенню до катода або катодів, збільшення витрати глинозему, що подається по відношенню до нормальної витрати і комбінація з цих операцій.

27. Спосіб регулювання за будь-яким з пп.24-26, який відрізняється тим, що він додатково містить вимірювання щонайменше одного сигналу напруги UA на щонайменше одному електролізері, розташованому на вході та/або на виході; порівняння сигналу або сигналів UA з сигналами U1, U2,... або попередньо обробленими сигналами TU1, TU2, ... для відсіювання із сигналів U1, U2, ... або попередньо оброблених сигналів TU1, TU2, ... випадкових коливань від сусідніх електролізерів і, можливо, від усієї електролізної серії.

28. Спосіб регулювання за будь-яким з пп.24-26, який відрізняється тим, що він додатково містить вимірювання щонайменше одного сигналу сили I струму електролізу; порівняння сигналу або сигналів I з сигналами U1, U2, ... або попередньо обробленими сигналами TU1, TU2, ... для відсіювання із сигналів U1, U2, ... або попередньо оброблених сигналів TU1, TU2, ... випадкових коливань, загальних для всієї електролізної серії.

29. Пристрій для завчасного виявлення анодного ефекту в електролізері для виробництва алюмінію електролізом в сольовому розплаві, виконане з можливістю реалізації способу виявлення за будь-яким з пп.1-23, при цьому зазначений електролізер містить щонайменше один анод (13) щонайменше один катод (5) і катодні (6, 7, 8) та анодні (9, 10, 11, 12) сполучні шини, що відрізняється тим, що воно містить щонайменше один перший засіб (321-344) вимірювання першого сигналу електричної напруги U1 між першою катодною точкою вимірювання (301-304) на катодній сполучній шині (6, 7, 8) та першою анодною точкою вимірювання (311-314) на анодній сполучній шині (9, 10, 11, 12); щонайменше один другий засіб (321-344) вимірювання другого сигналу електричної напруги U2 між другою катодною точкою вимірювання (301-304) на катодній сполучній шині (6, 7, 8) та другою анодною точкою вимірювання (311-314) на анодній сполучній шині (9, 10, 11, 12), при цьому щонайменше одна з цих других точок виміру відрізняється від зазначених перших точок виміру; щонайменше один засіб (351-354, 40) визначення значення щонайменше однієї функції F (U1, U2, ...) або F" (TU1, TU2, ...) порівняння сигналів за певний період часу Т; щонайменше один засіб (50) визначення показника А небезпеки виникнення анодного ефекту на основі функції або функцій F або F".

30. Пристрій п.29, відрізняється тим, що засіб (351-354, 40) для визначення значення щонайменше однієї функції (F (U1, U2, ...) сигналів напруги містить щонайменше один засіб (401- 404) для попередньої обробки щонайменше одного сигналів U1, U2, ....

31. Пристрій п.30, відрізняється тим, що засіб попередньої обробки містить засіб калібрування сигналів U1, U2, ... на певній частоті Fe.

32. Пристрій п.30 або п.31, відрізняється тим, що засіб попередньої обробки містить частотний фільтр.

33. Пристрій п.32, відрізняється тим, що частотний фільтр є фільтром нижньої частоти.

34. Пристрій п.33, відрізняється тим, що критична частота фільтра нижньої частоти знаходиться в межах від 0,001 до 1 Гц.

35. Пристрій п.32, відрізняється тим, що частотний фільтр є смуговим фільтром.

36. Пристрій п.35, відрізняється тим, що нижня і верхня критичні частоти смугового фільтра відповідно знаходяться в межах від 0,001 до 1 Гц і від 1 до 10 Гц.

37. Пристрій п.30 або 31, відрізняється тим, що засіб попередньої обробки містить щонайменше один засіб для первинного калібрування сигналів U1, U2, ....

38. Пристрій п.30 або 31, відрізняється тим, що засіб попередньої обробки містить щонайменше один засіб для розрахунку середнього значення щонайменше одного сигналу Ui або декількох сигналів Ui.

39. Пристрій п.30 або 31, відрізняється тим, що засіб попередньої обробки містить щонайменше один засіб для розрахунку різниці між кожним сигналом U1, U2, ... або попередньо обробленим сигналом TU1, TU2, ... і контрольним значенням Uo.

40. Пристрій п.39, відрізняється тим, що містить засіб для визначення середнього значення Um сигналів U1, U2, ... або попередньо оброблених сигналів TU1, TU2, ....

41. Пристрій за будь-яким з пп.29-31, відрізняється тим, що воно містить засіб для визначення відхилення Е між щонайменше двома сигналами напруги U1, U2, ... або між щонайменше двома попередньо обробленими сигналами TU1, TU2, ....

42. Пристрій за будь-яким з пп.29-31, який відрізняється тим, що він містить засіб для визначення тимчасової зміни щонайменше однієї функції F (U1, U2, ...) або F" (TU1, TU2, ...) порівняння сигналів.

43. Електролізер для виробництва алюмінію електролізом у сольовому розплаві, який відрізняється тим, що він містить пристрій для заздалегідь виявлення анодного ефекту за будь-яким з пп.29-42.

44. Система регулювання електролізера для виробництва алюмінію електролізом у сольовому розплаві, що відрізняється тим, що вона містить пристрій для завчасного виявлення анодного ефекту за будь-яким з пп.29-42.

45. Система регулювання за п.44, відрізняється тим, що вона додатково містить засіб вимірювання щонайменше одного сигналу напруги UA на щонайменше одному електролізері, розташованому на вході та/або на виході; засіб порівняння сигналу або сигналів UA з сигналами U1, U2, ... або попередньо обробленими сигналами TU1, TU2, ... для відсіювання із сигналів U1, U2, ... або попередньо оброблених сигналів TU1, TU2, ... випадкових коливань від сусідніх електролізерів і, можливо, від усієї електролізної серії.

46. Система регулювання за п.44 або 45, яка відрізняється тим, що вона додатково містить засіб вимірювання щонайменше одного сигналу сили I струму електролізу; засіб порівняння сигналу або сигналів I із сигналами U1, U2, ... або попередньо обробленими сигналами TU1, TU2, ... для відсіювання з сигналів U1, U2, ... або попередньо оброблених сигналів TU1, TU2, ... випадкових коливань загальних для всієї електролізної серії.

Основою структури вугільних матеріалів є складові грати графіту, тому слід коротко розглянути структуру ідеального графіту. За звичайних умов стійкі гексагональні кристалічні грати графіту (рис. 18): атоми вуглецю розташовані в базисних площинах у вигляді правильних шестикутників (гексогенів) зі стороною 0,141 нм. Базисні площини розташовані паралельно одна одній з відривом 0,3345 нм. Найближчі площини зсунуті одна щодо одної на 0,141 нм. Тому цілком однакове розташування атомів є тільки в парних або непарних площинах (тобто через одну). Три валентні електрони кожного атома в базисних площинах утворюють міцні гомеополярні зв'язки, в час як четвертий електрон розташований між базисними площинами. Зв'язки між площинами слабкі, що визначає характерну властивість графіту - легкість усунення площин одна щодо одної.

Електрони у просторі між площинами легко переміщаються, що визначає високу електропровідність вздовж базової площини. Перпендикулярно до площин електропровідність кілька порядків нижче.

Вугільні матеріали - викопні вугілля, кокси та інші відрізняються складним складом та будовою. В основі їхньої структури лежать базисні графітоподібні сітки - ядра, на периферії яких концентруютьсяатоми водню та кисню, що утворюють складні вуглеводневі сполуки – так звану бахрому. При термічній обробці - коксуванні відбувається руйнування бахроми та зростання за рахунок цього ядра. З підвищенням температури ядро перебудовується: кристаліти укрупняються, і електропровідність підвищується, оскільки опір визначається

здебільшого межами зерен. Проте термічна обробка коксів не дозволяє досягти структури ідеального графіту, навіть якщо вона проводиться при температурах вище 2000 °С. Виходить розпорядкована структура, що складається із досить великих кристалітів графіту.

Мал. 18.

Анод алюмінієвих електролізерів виготовляють з анодної маси - суміші попередньо прожареного коксу та пеку. Оскільки зола коксу являє собою суміш оксидів і карбонатів заліза, кремнію, кальцію і лужних металів, в анодному процесі ці сполуки перейдуть в електроліт, а інші електропозитивні домішки відновляться в катодному процесі і забруднюють . Тому для виготовлення анодів застосовують дуже чисті, малозольні кокси, отримані при коксуванні кам'яновугільного пеку (пековий кокс), або залишки після крекінгу нафти (нафтовий кокс).

При випаленні анодів, сформованих з анодної маси, відбувається коксування сполучного - пеку, при: зерна коксу - наповнювача (тобто вихідного коксу) міцно зв'язуються коксом з сполучного, і виходить монолітний, міцний і добре проводить струм електрод. У електролізерах з самопальними анодами цей процес відбувається в самому електролізері, в електролізерах з попередньо обпаленими анодами - у спеціальних печах для випалу.

Незважаючи на однорідність обпаленого анода в його структурі чітко простежуються дві складові - зерна коксу-наповнювача і оболонка цих зерен - кокс із сполучного. Хоча за своєю природою ці матеріали можуть бути однаковими, їхня внутрішня структура різна. При нагріванні зерна коксу-наповнювача лише розширюються, ніяких фізико-хімічних процесів у своїй немає. Сполучне зазнає процес коксування - розкладання основної маси з виділенням летких і усадкою коксу, що утворився. При цьому виходить кокс рихліший і пористий, а значить і більш реакційно здатний, ніж кокс-наповнювач. При горінні або електрохімічному окисленні різниця в реакційних здібностях цих двох видів коксу призводить до нерівномірного окислення, оскільки зерна коксу-наповнювача не встигають повністю згоряти.

Відповідно до сучасної теорії горіння вуглецю відбувається через адсорбційно-хімічний акт. За низьких температур поглинання кисню поверхнею вуглецю є фізичною адсорбцією, природа газу при цьому не змінюється і при вакуумуванні виділяється . З підвищенням температури фізична перетворюється на хімічну. У молекулі кисню зв'язки між атомами розриваються і відбувається перерозподіл електронних оболонок; між атомами вуглецю і кисню виникає зв'язок, подібний до хімічної, причому в ній бере участь не один атом вуглецю, а деяке змін-

ное їх число: утворюється нестійкий проміжний комплекс СхО. Залежно від тиску кисню структура цих комплексів може бути різною: при малих тисках утворюються комплекси типу кето-груп, при великих - типу пероксидних сполук. Внаслідок теплового руху атомів вуглецю відбувається десорбція та розрив зв'язків усередині решітки графіту в першому випадку (при зниженому тиску кисню) – з виділенням молекул СО, у другому (при підвищеному тиску кисню) – молекул СО 2 (рис. 19).

Мал. 19.Схеми горіння графіту з утворенням проміжних вуглець-кисневих комплексів:
А - з виділенням, В - з виділенням СО2; пунктирні лінії - розрив зв'язків у ґратах графіту при десорбції

Крім утворення поверхневих комплексів С х О, взаємодія вуглецю з киснем супроводжується помітним розчиненням кисню в решітці вуглецю: експериментально показано, що кисню у продуктах горіння міститься менше, ніж у вихідному газі.

Кінетика горіння вуглецю при температурах близько-1000°С, згідно з багатьма роботами, визначається швидкістю розпаду проміжних комплексів, тобто десорбції продуктів горіння.

Анодна перенапруга в лабораторних умовах визначають при поляризації стаціонарного анода зазвичай наступним методом: вимикають поляризуючий струм, і на осцилограмі фіксується в момент вимкнення струму потенціал анода щодо електрода порівняння, яким найчастіше служить алюмінієвий електрод. Оскільки, як буде показано нижче, первинним анодним газом є 2 , перенапруга являє собою різницю між виміряною величиною і рівноважним потенціалом вугільного електрода, насиченого вуглекислотою.

Поляризаційні криві (рис. 20), зняті при 965 °С, К. О. = 2,7, Аl 2 O 3 10% (за масою), показують, що при промислових анодних щільності струму (0,7 -1,0 А/см 2) перенапруга становить велику величину - від 0,3 до 0,4 В. Тому питання про природу анодного перенапруги має першорядне, як теоретичне, а й практичне значення.

Мал. 20.Анодні поляризаційні криві (Пряхін):
а -у координатах ia-η; б -у координатах η-lgia; матеріал анода: 1 – пірографіт; 2 -; 3 – скловуглець; 4 - промисловий анод

Перенапруга значною мірою залежить від матеріалу анода: щільний і гладкий пірографіт, гексагональні площини якого паралельні поверхні анода, дає найбільшу перенапругу,час як скловуглець, що володіє практично безпористою структурою, відрізняється меншою перенапругою, оскільки зв'язок атомів вуглецю один з одним у структурі скловуглецю значно слабший, ніж у пірографіті. Звичайний пористий дає проміжні величини перенапруги (рис. 20, а) і найменшою перенапругою характеризуються зразки промислового анода, які мають пористу структуру, а зв'язок між атомами вуглецю в них менший, ніж у ґратах графіту.

На значному ділянці поляризаційної кривої всім матеріалів дотримується рівняння Тафеля (рис. 20, б): η = a + blni, причому величина становить 0,420-0,310 У, коефіцієнт b - 0,255-0,180 У.

Як уже зазначалося, однією зі стадій реакції горіння вуглецю є хемосорбція кисню з утворенням С х О. Є всі підстави припускати, що С х Про утворюється й у процесі електрохімічного окиснення вуглецю.

Тому анодний процес можна уявити таким, що складається з наступних послідовно протікають стадій:

1) транспорт кисневмісних іонів, що позначаються в подальшому як О до 2-т. у глибині електроліту, а - на поверхні анода; 2) окислення іонів кисню на поверхні вугільного анода з утворенням проміжних хемосорбованих комплексів: О 2-к, а -2е + хС → С х О; 3) розпад проміжних комплексів (десорбція хемосорбованого кисню у вигляді 2); 2С х О → 2 + (2x- 1)С.

Наведена схема є найпростішою із можливих. Деякі дослідники, наприклад, вважають, що десорбція супроводжується розрядом іонів кисню на місцях, зайнятих проміжними оксидами (електрохімічна десорбція): С х O + О 2-к, а - 2е → СО 2 + (x-1)С. Найбільш повільна стадія визначає швидкість всього електрохімічного процесу та природу анодного перенапруги.

Ремпель вперше вказав на утворення проміжних оксидів на аноді та уповільненість їхнього розпаду (стадія 3) як причину анодної перенапруги. Згідно з його поглядами, поверхня вугільного анодазвичайно енергетично неоднорідна. При потенціалах, близьких до рівноважних, сорбується на найбільш активних центрах, в яких атоми вуглерода зв'язані з найслабшими сусідніми силами. Тому зв'язок - виявляється найміцнішою, що відповідає їх зв'язку в СО 2 . У міру зростання густини струму в процес залучаються менш активні ділянки анода, для яких у сполуках С х Про сили зв'язку кисень - стають слабшими. Активність кисню в цих сполуках більша, ніж у СО 2та електрохімічний потенціал анода зрушується у позитивний бік. Цей зсув буде тим сильнішим, чим вища щільність струму. Крім того, перенапруга залежить від структури вугільного анода: чим розвиненіша його поверхня, на якій відбувається електро-хімічний процес, тим менша фактична щільність струму і нижче перенапруга. Важливу роль відіграє також внутрішня структура анода: чим міцніший зв'язок атомів вуглецю в ґратах, тим повільніше десорбція і більше перенапруга. Як бачимо на рис. 20, ці міркування відповідають експериментальним даним. Є ще низка фактів, що підтверджують теорію Ремпеля. При виключенні промислових електролізером кожен із новачків може бути джерелом постійного струму кілька сотень при напрузі понад 1,2 У. На аноді (що був при електролізі катодом) у разі відбувається окислення алюмінію, на катоді - відновлення кисню. Підрахунки показують, що кількість кисню, який витрачається на цей процес, настільки велика, що він може бути тільки у вигляді пов'язаного в сполуках СхО, а не газоподібного кисню.

При виключенні лабораторних осередків і промислових панн спад потенціалу до рівноважного значення відбувається повільно, протягом секунд, що не могло б бути за умови лімітуючої стадії розряд. (Стадія 2).

Імпедансні вимірювання також чітко вказують на значний внесок гетерогенної хімічної реакції (тобто з розпаду проміжних оксидів) у загальну перенапругу. Водночас, згідно з цими вимірами, на аноді спостерігається помітне перенапруга дифузії.

Залежність анодної перенапруги від концентрації глинозему в електроліті (умови досвіду i=1 А/см 2 , t = 970 °С, К. О. = 2,8) проходить через мінімум при концентрації Аl 2 O 3 8% (за масою) (рис. 21). Характерно, що обертання анода знімає значну частину перенапруги. Так, при концентрації Аl2O3 близько 4% (за масою) перенапруга зменшується на 40%; ця частина перенапруги є перенапругою дифузії.

Мал. 21.Залежність анодної перенапруги від концентрації глинозему в кріоліто-глиноземному розплаві (Диблін):
1 – анод нерухомий; 2 – анод.
обертається зі швидкістю 350 об/хв

Дослідження, проведені із застосуванням імпульсної техніки (Пряхін), показують, що при промислових густинах струму анодна перенапруга ділиться на складові наступним чином: перенапруга реакції 50-55%, перенапруга дифузії 30-40%, перенапруга переходу-5-10%. Якщонехтувати останнім перенапругою, то анодний процес можна розглядати як рівноважний, і різницю між потенціалом без струму та під струмом можна висловити за допомогою рівняння Нернста. Перенапруга реакції:

де ао (Сх о) - активність кисню_в хемосорбованих оксидах СxО при поляризації; а O (C хO) - те саме для рівноважних умов.

де а 0k, а 2- - активність іонів кисню в приелектрод ном шарі при поляризації; а 0k, а 2 - те ж для рівновесняний електрод. Загальна перенапруга:

Дотримання тафелевської залежності на великій ділянці поляризаційних кривих (див. рис. 20, б) можна пояснити тим, що основну роль у цьому процесі грає перенапруга реакції, що підпорядковується рівнянню (37). Разом з тим є дві обставини, що ускладнюють перебіг поляризаційної кривої. Перше - зміна поверхні, доступної реакції, зі зростанням поляризації. При малих поляризаціях електрохімічний процес відбувається в порах і тріщинах анода, тому поверхня реакції велика. У міру зростання щільності струму мікропорожнини блокуються продуктами анодного процесу і вимикаються з реакції, доступна реакції поверхні зменшується, а фактична щільність струму збільшується. Друге - зі зростанням щільності струму все більшого значення набуває перенапруги дифузії. Відхилення від рівняння Тафеля при малих щільності струму (див. рис. 20 б) пояснюється першою причиною, відхід поляризаційної кривої від прямої вгору при великих щільності струму - другий.

Залежність анодної перенапруги від концентрації глинозему (див. рис. 21) також пояснюється з погляду перенапруги реакції та дифузії. Струм обміну реакції i 0 в рівнянні (37) залежить від концентрації іонів, що розряджаються: i 0 = nFkC p .

Звідси видно, що з постійної щільності струму зростання концентрації іонів кисню o 0k, а 2- тобто вмісту Аl 2 O 3 , призводить до падіння перенапруги реакції. Перенапруга дифузії також падає зі зростанням концентрації іонів кисню, оскільки гранична щільність струму дифузії зростає пропорційно до цієї концентрації.

При великих концентраціях глинозему, коли відбувається різке підйом в'язкості (див. рис. 11, б), транспортні труднощі зростають і перенапруга дифузії збільшується, на що свідчить мінімумна кривій при концентрації глинозему близько 8% (за масою).

Зупинимося питання про деполяризації анодного процесу катодними продуктами. Якби розчинений в електроліті метал окислявся лише на поверхні анода електрохімічно і цей процес проходив би оборотно, то ефект деполяризації ΔЕ ДЕП можна було б порахувати, виходячи з термодинамічних даних:

ΔE ДЕП =E p (1-η T), (42)

де Е р - напруга розкладання глинозему з утворенням 2, В; η т - вихід струмом, частки од.

При величинах концентрації глинозему та температури, звичайних для електролізу, значення ΔЕ ДЕП буде 0,17 В. Експерименти показують, що у лабораторних осередках деполяризація значно менша – становить близько третини цієї величини. Отже, розчинений метал лише частково окислюється на аноді, більша його частина вступає у взаємодію з анодними газами та реагує з ними в електроліті, що не впливає на потенціал аноду.

Сума напруги розкладання глинозему за реакцією (15) та анодної перенапруги дає е. д. с. поляризації при електролізі Численні виміри цієї величини на промислових ваннах показують, що вона буде дещо меншою, ніж в умовах лабораторного експерименту, якщо враховувати всю перенапругу - реакційну та дифузійну. Очевидно, циркуляція на промислових ваннах, викликана анодними газами, має більше значення, ніж у лабораторних осередках, і частина перенапруги дифузії при цьому знімається.

Анодний ефект

Виникнення анодного ефекту пов'язане з порушенням змочування електролітом вугільного анода: якщо при нормальному перебігу електролізу розплав добре змочує поверхню анода і бульбашки газу легко від неї відокремлюються, то при анодному ефекті газ відтісняє електроліт від електрода, утворюється плівка газу на аноді, що викликає різке підвищення напруги на промислових ваннах-з 4,0-4,2 при нормальному електролізі до 40-60 В - при анодному ефекті. У лабораторних осередках, де важко досягти гальваностатичних умов, при обмеженій потужності джерела живлення виникнення анодного ефекту супроводжується падінням сили струму та підвищенням напруги.

Анодний ефект у промислових умовах пов'язаний з різким підвищенням потужності електролізера, що призводить до перегріву електроліту та порушення теплової рівноваги електролізера. Анодні ефекти викликають підвищення витрати енергії (приблизно на 1,5%), збільшують витрату фторсолів, що пов'язано з посиленням їх випаровування внаслідок перегріву електроліту,зменшують катодний вихід струму з тієї ж причини. Крім того, анодні ефекти призводять до нерівномірної роботи перетворювачів струму. Тому бажано зменшення числа анодних ефектів або робота за їх відсутності. Але оскільки виникнення анодного ефекту пов'язане зі збідненням електроліту глиноземом, воно є методом контролю роботи ванни, тобто нормальної вироблення глинозему.

Анодна щільність струму, коли він виникає анодний ефект, називається критичної. При лабораторних дослідженнях було встановлено, що критична щільність струму підвищується зі зростанням концентрації розчиненого глинозему (рис. 22, а) і підвищенням температури, і зменшується зі зменшенням кріолітового відношення розплаву. Анодний ефект характерний для вугільних анодів, на інших матеріалах вінспостерігається вкрай рідко. Критична щільність струму залежить також від структури анода, але залежність ця слабка - тільки на дуже пухкому вугіллі спостерігається помітне зниження критичної щільності струму.

Мал. 22.Механізм виникнення анодного ефекту (Бєляєв): а - залежність критичної щільності струму iKp (1) та крайового кута змочування в (2) від концентрації глинозему; б - зміна крайового кута змочування і поведінка газу при виділенні на алоді: I - висока концентрація Аl2О3; II – низька концентрація Аl2О3; III – анодний ефект; 1 – газ; 2 – вугільний анод; 3 - електроліт

Незважаючи на значну кількість робіт, присвячених анодному ефекту, механізм його виникнення та течії з'ясований недостатньо.

За гіпотезою Бєляєва, головною причиною виникнення анодного ефекту є порушення змочування анода електролітом, спричинене збідненням розплаву глиноземом. Крайові кути змочування електролітом вугільної поверхні зменшуються зі зростанням концентрації глинозему (рис. 22, а), тобто змочування покращується. Тому виникнення анодного ефекту на промислових ваннах (у гальваностатичних умовах) можна так. При великих вмістах глинозему електроліт як би «відклинює» пляшечку газу, він легко відокремлюється від поверхні анода, умови для злиття бульбашок відсутні (рис. 22, б, I). При малих вмістах глинозему, коли крайовий кут стає більшим і змочування електролітом вугільної поверхні погіршується, бульбашки газу розпластуються поверхнею анода і довго утримуються (мал. 22, б, II). Подальше зниження концентрації глинозему призводить до масового злиття бульбашок та виникнення анодного ефекту (рис. 22, б, III).

При постійної концентрації глинозему та підвищенні щільності струму (в лабораторних умовах) анодний ефект викликається тим, що кількість бульбашок зростає і при критичній щільності струму вони зливаються в суцільний шар - настає анодний ефект.

Гіпотеза Бєляєва підходить до опису анодного ефекту з суто фізичного боку – порушення змочування анода електролітом. Тим часом на аноді відбувається ряд складних електрохімічних процесів, що відіграють певну роль у виникненні анодного ефекту.

Згідно з гіпотезою Бєляєва, важко пояснити той факт, що під час анодного ефекту відбувається зміна складу анодних газів. Якщо при нормальному електролізі газ складається, наприклад, з 25% і 75% 2 , то під час анодного ефекту склад газу наступний, % (об'ємн.): 50, 2 25, CF 4 22,5, C 2 F 6 2,5.

Поява фторвуглеців навряд чи можлива за рахунок прямої взаємодії компонентів електроліту, наприклад, AlF 3 , з вуглецем з утворенням фторвуглеців:

4AlF 3 +3C = 3CF 4 + Аl.

Слід визнати тому, що анодний ефект є, результат переходу від розряду кисневмісних, іонів на аноді до спільного їх розряду з фторсодержавними іонами. Цей перехід виникає внаслідок поляризації анода, при якій досягається потенціал для розряду іонів фторсодержащих: 4F к,a - 4е+С = CF 4 .

З термодинамічних даних для реакцій (19) і (20) випливає, що потенціал анода щодо алюмінієвого електрода порівняння для цієї реакції повинен лежати в межах 2,22-2,52 (перша цифра - якщо розкладається фторид алюмінію, друга - ;, на насправді внаслідок збагачення аноліту фторидом алюмінію (склад його лежить між цими крайніми значеннями). Експериментальне визначення потенціалу анода під час анодного ефекту дає величини від 2,0 до 2,5 В, тобто близькі до термодинамічних значень.

Вище зазначалося, що поляризація анода має реакційний та дифузійний характер. Зі зростанням щільності струму або падінням концентрації глинозему частка дифузійної перенапруги зростає. Перехід від розряду кисневмісних іонів до спільного їх розряду з фторсодержащими іонами слід пояснити, дифузійним перенапругою. Таким чином, критична густина струму є граничною щільністю струму дифузії. У цьому особливо переконують дані про залежність критичної щільності струму від швидкості обертання анода (Диблін): виявилося, що вища швидкість обертання, то більше вписувалося критична щільність струму. Користуючись відомими співвідношеннями між граничною щільністю струму дифузії до дискового електрода, що обертається, і швидкістю його обертання:

i d = 0,62nFD 2/3 ν - 1/6ω1/2 C 0 ,

де D - коефіцієнт дифузії потенциалопределяющих іонів, см 2 /с; ν - кінематична в'язкість електроліту, см2/с; ω - швидкість обертання, рад/с; З 0 - концентрація іонів в об'ємі електроліту, моль/см 3 можнавизначити коефіцієнт дифузії. Його величина 4 · 10 -5 см 2 /с виявилася близькою до значень, набутих іншими методами.

Повні поляризаційні криві, що враховують розряд як кисневмісних, так і фторовмісних іонів, зняти неможливо, оскільки перехід від одного процесу до іншого відбувається практично миттєво. Однак на підставі відомого потенціалу електрода під час анодного ефекту і сили струму, що відповідає йому, можна провести гіпотетичні поляризаційні криві (рис. 23). При великих концентраціях глиноЗема критична щільність струму велика.

Зменшення вмісту Аl 2 O 3 призводить до зближення поляризаційних кривих для розряду кисневмісних і фторовмісних іонів: перша зміщується вправо внаслідок зменшення концентрації глинозему, друга зсувається вліво за рахунок зростання концентрації кріоліту. Критична щільність струму зменшується. Якщо кріолітове відношення електроліту знижується (тобто збільшується концентрація фтористого алюмінію, а значить і фторвмісних іонів), то відбувається зближення поляризаційних кривих і критична щільність струму падає, що і спостерігається насправді.

Мал. 23.Гіпотетичні анодні поляризаційні криві: 1- при високому вмісті глинозему; 2 - при низькому вмісті глинозему; ab - розряд кисневмісних іонів; cd - спільний розряд кисень- і фторовмісних іонів

Таке електрохімічне трактування анодного ефекту, однак, не пояснює того, що виникнення анодного ефекту пов'язане з порушенням змочування анода електролітом. Можна припускати, що розряд фторсодержащих іонів відбувається так само, як іонів кисню через стадію хемосорбції з утворенням проміжних сполук типу C n F m . Розпад цих сполук і десорбція CF 4 відбувається уповільнено, що призводить до покриття поверхні анода з'єднання.нями C n F m . Відомо, що при взаємодії фтору з графітом відбувається утворення ряду фторвуглеців (CF, C 4 F), які характеризуються дуже низькою електропровідністю (порядка 0,01 електропровідності графіту). Можливо, що ці сполуки не змочуються кріолітовими розплавами, і їх утворення призводить до анодного ефекту. Однак безпосереднього докази існування подібного роду з'єднання на поверхні вугільного електрода під час анодного ефекту досі немає.

Електролітичне рафінування алюмінію Для отримання високої чистоти алюмінію застосовують електролітичне рафінування. Різними дослідниками було запропоновано кілька методів електролітичного рафінування алюмінію.

У розплавленому вигляді кріоліт розпадається на іони Na + і AlF 6 3- складові основу кристалічної решітки кріоліту:

Na 3 AlF 6  3Na + + AlF 6 3-

При низьких концентраціях глинозему найбільш ймовірно подальша взаємодія щодо реакції

4AlF 6 3- + Al 2 O 3  3Al 2 OF 8 4-

При високих концентраціях глинозему, близьких до насичення після ряду проміжних реакцій можуть утворитися

з'єднання типу

AlF 6 3- + Al 2 O 3  1,5Al 2 O 2 F 4 2-

У розплавленому електроліті промислового електролізера в невеликих кількостях присутні також катіони Al 3+ , що утворюються за рахунок дисоціації аніонів AlF 6 3 - молекул AlF 3 .

У процесі електролізу позитивні заряди переносяться до катода переважно катіонами Na + , що містяться в найбільшій кількості в електроліті, і меншою мірою катіонами алюмінію Al 3+ концентрація яких значно нижче.

Однак катіони алюмінію мають менший потенціал розряду, ніж катіони Na + , тому на катоді відбуватиметься розряд катіонів алюмінію:

Al 3+ + 3e - = Al

Катіони натрію не беруть участь у процесі катодного розряду, що призводить до їх накопичення та утворення поблизу катода алюмінату натрію:

Na + + AlO 2 - = NaAlO 2

Збагачення католіту (частина електроліту, що знаходиться поблизу катода), алюмінатом натрію підвищує ймовірність одночасного розряду катіонів Na + і Al 3+ , що неприпустимо за умовами технології.

До анода струм переноситься аніонами AlOF 2 1- , Al 2 OF 8 4- , Al 2 O 2 F 4 2 - та іншими аналогічними аніонами. Під час анодного процесу ці аніони втрачають надлишкові електрони, аноді виділяється кисень, а електроліт збагачується молекулами фтористого алюмінію. Накопичення фтористого алюмінію в аноліті призводить до переважного випаровування його, а кріолітове відношення електроліту підвищується. Відмінність складу католіту і аноліту усувається за рахунок природного перемішування електроліту, яке відбувається в результаті температурної конвекції та впливу анодних газів, що перемішує.

Участь іонів у процесі електролізу не слід змішувати за їх участю у перенесенні струму. У нашому випадку струм переноситься одними іонами, присутніми у великих концентраціях і мають підвищену рухливість, а розряджаються на електродах інші іони, які мають більш позитивні (катіони) або більш негативні (аніони) розрядні потенціали.

первинний газ СО 2, що утворюється при електролізі, у вигляді бульбашок виходить з-під анода і взаємодіє з розчиненим в електроліті алюмінієм, а також з вуглецем анода і вугільної піни за реакціями

3CO 2 + 2Al = Al 2 O 3 + 3СО

За рахунок цих реакцій анодний газ збагачується оксидом вуглецю. У електролізерах з самопальними анодами вміст СО вищий і становить 50-55%, а з попередньо обпаленими анодами - на 15-20% нижче. Це тим, що матеріал у обпалених анодів менш активний реакції з СО 2 , т.к. вони обпалені при температурі 115050 о С, в той час як у анодів, що самопалюються, - при 950-970ºС. Крім того, ширина обпаленого анода невелика та контакт газу з анодом скорочується. Застосування останніми роками обпалених анодів зі щілинними прорізами, що полегшують евакуацію анодних газів, додатково знижує тривалість їхнього контакту з анодом і збільшує вихід струму.

Зміст ЗІ зростає зі збільшенням температури електроліту, т.к. при цьому підвищується концентрація розчиненого в електроліті алюмінію та прискорюється реакція окислення металу за наведеною реакцією. Зі збільшенням анодної щільності струму вміст СО у газі, що відходить, навпаки, знижується. Це пояснюється зростанням продуктивності електролізера при тому самому обсязі реакцій окислення та утворення СО.

Гасити спалах можна також за допомогою стисненого повітря, що вводиться під анод за допомогою сталевої трубки. Перед введенням під анод трубку прогріти на кірці електроліту до температури не менше 100°С. Гасіння спалаху проводиться у такому порядку. Попередньо включається зменшена подача повітря, потім труба вводиться під анод шар металу і подається повний напір повітря. При гасінні спалаху бажано створювати пульсуючу подачу повітря, для чого кожні 2-3 секунди за допомогою вентиля необхідно перекривати мережу. Якщо з першого разу спалах не згас, гасіння повітрям повторюють або використовують дерев'яну жердину.

Якщо тривалий спалах - результат холодного ходу електролізера, то усунення його можливо шляхом підйому анода до стійкого ясного спалаху, прогрівання ванни та утеплення її глиноземом. У цій ситуації важливо не допустити змучування осаду та появи «негаснучого» спалаху з властивими їй характерними ознаками.