Пространственное распределение частиц при стоксовском осаждении глинозема в высокотемпературной концентрированной суспензии-электролите для производства алюминия

Abstract

Исследовано поведение высокотемпературных концентрированных суспензий-электролитов для получения жидких металлов, в частности алюминия. Приведены экспериментальные данные, объясняющие некоторые особенности седиментации таких систем. Эксперименты проводили при 700 oC над суспензией системы KF – AlF3 – Al2O3. Определена локальная концентрация частиц как функция вертикальной координаты и времени при разной объемной доле частиц в суспензии (φ ). Идентифицирован переход первого типа седиментации в третий для системы с объемной долей φ = 0,24. Для φ = 0,28 обнаружен нехарактерный тип седиментации — свойственный переходу из зоны седиментации в зону осадка. При φ = 0,32 отмечено затруднение седиментации, значение j близко к объемной доле максимальной упаковки (φ m), которая соответствует бесконечно большой вязкости суспензии. По микрофотографиям затвердевших образцов исследована зависимость среднего размера частиц от вертикальной координаты z для систем с разным составом. Обнаружено, что в той части дисперсной системы, которая находится вблизи ограничивающей ее стенки, седиментация при малых числах Рейнольдса существенно затруднена. При снижении среднего размера частиц и полидисперсности φ m снизилась, что хорошо согласуется с литературными данными. Обнаружено, что φ m сильно зависит от присутствия неподвижной стенки. Полученные результаты позволяют утверждать, что снижение межэлектродного расстояния (МПР) является весьма важным направлением развития технологии электролиза суспензий с вертикальными электродами. Для получения алюминия с малым расходом электроэнергии необходимо поддерживать 5 < МПР < 15 мм. Объемная доля твердой фазы в системе KF – AlF3 – Al2O3 при этом может составлять от 0,28 до 0,32 в зависимости от установленного МПР. При таких условиях следует ожидать подавления седиментации и равномерного распределения тока.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности в рамках научного проекта № 16-43-240781.