РАСПЛАВЫ
5 • 2012
УДК 669.447
© 2012 г. А. Н. Ефремов1, П. А. Архипов, Ю. П. Зайков
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМ АНОДОМ
С помощью метода построения электрического поля исследовано влияние температуры и уровней жидкометаллических электродов на распределение постоянного тока по поверхности жидкометаллического анода и по объему электролита KCl— PbCl2 в электролизере цилиндрической формы.
Ключевые слова: электрическое поле; распределение тока; жидкометаллические электроды; рафинирование свинца.
В связи с ограниченностью сырьевых запасов и повышающимися требованиями к охране окружающей среды постоянно возрастает доля свинца, получаемого переработкой вторичного сырья. В современном производстве свинца применяются пирометал-лургические методы переработки [1]. Основные недостатки данного метода — наличие большого количества плавильных агрегатов, расход дорогостоящих флюсов, потери металла с образующимися отходами, большие трудозатраты [2].
Необходимы разработки новых процессов переработки вторичного свинцового сырья не только безотходных или малоотходных, но и содержащих в своей основе минимальную экологическую опасность.
Одним из перспективных в техническом отношении и достаточно экологически чистых методов является электрохимическое рафинирование чернового свинца в расплавленных хлоридах с применением жидкометаллических электродов. Отличия данного метода — возможность проведения полного цикла рафинирования в одном аппарате и малый расход вспомогательных материалов [3—5]. Разработка промышленной технологии получения свинца электролизом предполагает изучение пространственного распределения плотности постоянного тока по поверхности жидкометаллических электродов и в объеме электролита. Знание данного распределения позволяет управлять технологическими параметрами электрохимических процессов и прогнозировать конечный результат процесса рафинирования.
Задача настоящей работы заключается в изучении влияния температуры и уровней жидкометаллических электродов на распределение постоянного тока по поверхности жидкометаллического анода и в объеме электролита. Для этого использовали метод построения электрического поля [6]. Согласно этому методу при помощи измерения разности потенциалов между определенными участками электролита строится электрическое поле — график распределения эквипотенциальных и силовых (траектория движущихся ионов) линий.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для приготовления электролита использовали соли KCl и PbCl2 марки ЧДА. В качестве электродов применяли жидкометаллический свинец марки C1.
Измерение разности потенциалов проводили между анодом и свинцовым зондовым электродом, который перемещали как в горизонтальной, так и в вертикальной плоско-
1andrey_effremuss@mail.ru.
стях ячейки. В качестве ячейки использовали цилиндрический алундовый стакан диаметром с1 = 80 мм. Катодный свинец загружали в алундовый тигель с1 = 10 мм и помещали в ячейку. Анодный свинец заливали на дно ячейки. Катодный и анодный токоподво-ды изготавливали из молибдена, защищали алундовыми чехлами от окисления и жестко фиксировали. Зондовый электрод представлял собой кварцевую трубку с впаянным в нижней его части носиком. Внутрь помещали свинец марки С1 ГОСТ 3778-98 и электролит КС1—РЬС12, токоподводом служила молибденовая проволока. Расплавы зондово-го электрода и рабочего пространства отделяли пористой диафрагмой, изготовленной из асбеста Гуча. Перед началом электролиза ячейку выдерживали в печи до установления нулевой разности потенциалов (Еравн = 0.000 ± 0.001 В) между анодом и зондовым электродом. Процесс электролиза вели при анодной плотности тока ;а = 0.5 А/см2. Постоянный ток подавали на электрохимическую ячейку при помощи источника тока ВСА-020.
Измерения проводились в следующем порядке. После наплавления электролита массой 787.5 г, загружали катодный (¿*к = 3.14 см2) и анодный (Бл = 40.82 см2) свинец. Вели электролиз при силе тока 20 А в течение 30 мин до установления постоянного напряжения. Затем выключали поляризующий ток и измеряли разность потенциалов между электродами. При значениях разности потенциалов между анодом и зондом Е = 0 ± 1 мВ вновь включали ток 20 А и через 5—10 мин измеряли разность потенциалов между положительным электродом и зондом внутри поля по заранее заданным траекториям. По результатам измерения разности потенциалов и геометрических размеров строили электрическое поле ячейки — эквипотенциальные и силовые линии, делали расчет распределения токовой нагрузки по поверхности электрода (анода).
Исследования температурных зависимостей распределения плотности постоянного тока по поверхности жидкометаллического анода проводили в области температур расплава Т = 723-823 К.
Для выяснения характера влияния геометрической конфигурации электрохимической ячейки на распределение объемной плотности тока при электролизе свинца в эк-вимольной смеси хлоридов свинца и калия варьировали уровни металла в катодном и анодном пространстве. Исследовали три уровня катодного металла: 1, 2 и 3 см при общей высоте катодного тигля Н = 32 мм. Уровень анодного металла в этих исследованиях поддерживали 1 см от дна ячейки при трех значениях высоты катодного металла.
Методика измерения и обработки экспериментальных результатов подробно описана в работе [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Влияние температуры. Из полученных результатов измерения разности потенциалов и геометрических преобразований построили электрические поля ячейки при различных температурах, сделали расчет распределения токовой нагрузки по поверхности электрода (анода) в зависимости от температуры расплава. На рис. 1 представлены электрическое поле электрохимической ячейки при Т = 723 К и распределение плотности тока по поверхности жидкометаллического анода при выбранных значениях температуры расплава 723, 773, 823 К.
Из рис. 1б видно, что плотность тока распределяется по поверхности электрода неравномерно. При всех значениях температуры максимальная плотность тока реализуется на расстоянии 1-2 см от края катодного тигля. Дикусар с соавторами [8], исследовавшие распределение тока в водных средах при интенсивных режимах электроосаждения (в различных гидродинамических условиях), также приводят схожие тенденции изменения плотности тока.
На расстоянии более 3 см плотность тока снижается почти в 3.5 раза по сравнению со средней плотностью тока, рассчитанной на всю геометрическую поверхность.
к, А/см2
L , мм
Рис. 1. Электрическое поле ячейки при 723 К (а) и распределение плотности тока по поверхности свинцового жидкометаллического анода в зависимости от температуры (б).
га, А/см2 1.2
1.0
0.8 0.6
0.4
0.2
-О" пиковые токи застойные токи
0
700 750 800 Г, К
Рис. 2. Зависимость пиковых значений плотности тока и плотностей токов в застойной зоне от температуры.
На рис. 2 показаны температурные зависимости пиковых значений плотностей тока и плотностей тока в застойной зоне вблизи катода в сравнении со средней плотностью тока, рассчитанной на всю геометрическую поверхность. По мере повышения температуры линия максимальных плотностей тока и линия плотностей тока в застойной зоне приближаются к среднему значению плотности тока, что обусловлено увеличением электропроводности и снижением вязкости расплава с возрастанием температуры исследуемой солевой системы. В таблице представлены значения электропроводности [9] и вязкости [10] расплавленной эквимольной смеси хлоридов калия и свинца.
Следует также отметить, что с ростом температуры значение тока пика уменьшается, а плотность тока в застойной зоне вблизи катода увеличивается, что указывает на более равномерное распределение плотности тока по поверхности жидкометаллического электрода.
Влияние уровней жидкометаллических электродов. На рис. 3 показано изменение распределения плотности тока по поверхности жидкометаллического анода в зависимости от уровней катодного и анодного металла при Т = 823 К.
Из кривых распределения тока видно, что с увеличением уровня катодного свинца пиковые значения анодной плотности тока удаляются от границы катода. Изменение
Температурная зависимость удельной электропроводности и вязкости расплава КС1—РЬС12
Т К 1 распл^1 К Вязкость, сПз Удельная электропроводность, Ом 1 ■ см 1
723 1.45 0.938
773 1.55 1.105
823 1.67 1.286
А/см2 1.0
0
к, А/см2 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
3 см 2 см
20 40
L, мм
60
Рис. 3. Распределение плотности тока по поверхности свинцового жидкометаллического анода в зависимости от уровня катодного (а) и анодного металла (б).
уровня анодного свинца также приводит к смещению пика плотности тока, и чем выше уровень этого металла, тем ближе к кромке катодного тигля реализуется максимальная плотность тока. Следует отметить, что во всех экспериментах независимо от уровней свинца в электродных пространствах пиковое значение плотности тока не изменяется и находится в интервале 0.85—0.87 А/см2.
б
0
ВЫВОДЫ
1. Построено электрическое поле ячейки сложной конфигурации, и показано распределение объемной плотности тока.
2. В выбранном интервале температур расплава (723—823 К) максимальная плотность тока реализуется на участках 1—2 см от края катодного тигля и достигает 0.85 и 1.3 А/см2 при температурах расплава 823 и 723 К, соответственно.
3. Со снижением уровня катодного свинца зона низких плотностей тока, образующаяся вследствие экранирования поверхности электрода краем катодного тигля, расширя-
ется, в то время как максимальная плотность тока численно остается практически постоянной. Изменение уровня анодного свинца приводит к смещению пика плотности тока, и чем выше уровень этого металла, тем ближе к кромке катодного тигля реализуется максимальная плотность тока.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по Государственному контракту № 16.525.12.5005 от 23.08.2011 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ваграмян А.Т., И л ь и н а - Ка куе в а Т. Б . Распределение тока на поверхности электродов при электроосаждении металлов. — М.: Металлургиздат, 1956. — 68 с.
2. Делимарский Ю.К., Зарубицки
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.