cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2021-6-4-11cvmet-1300Research ArticleМеталлургия цветных металловMetallurgy of Non-Ferrous MetalsВязкость криолитоглиноземных расплавов промышленного составаViscosity of conventional cryolite-alumina meltsРуденкоА. В.RudenkoA. V.

 науч. сотрудник

620066 г. Екатеринбург, ул. Академическая, 20

 Researcher

620066, Ekaterinburg, Akademicheskaya str., 20 

lrizonl@gmail.comКатаевА. А.KataevA. A.

 канд. хим. наук, науч.   

 Dr. Sci. (Chem.), Researcher 

aleksandr_kataev@mail.ruТкачеваО. Ю.TkachevaO. Yu.

 докт. хим. наук, вед. науч. сотрудник, профессор кафедры технологии электрохимических производств

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Dr. Sci. (Chem.), Leading researcher; Professor, Department of electrochemical production technology (EPT)

(620002,  Ekaterinburg, Mira str., 19

o.tkacheva@ihte.uran.ruЗайковЮ. П.ZaykovYu. P.

докт. хим. наук, науч. руководитель, зав. кафедрой 

 Dr. Sci. (Chem.), Scientific supervisor 

dir@ihte.uran.ruПьяныхА. А.PyanykhA. A.

 канд. техн. наук, менеджер отдела математического моделирования и измерений

660111, г. Красноярск, ул. Пограничников, 37 

 Cand. Sci. (Tech.), Manager, Department of mathematical modelling and measurement

660111, Krasnoyarsk, Pogranichnikov str., 37 

pianykhaa@gmail.comАрхиповГ. В.ArkhipovG. V.

 канд. техн. наук, директор проекта «Энергосберегающие конструкции электролизеров»

 Cand. Sci. (Tech.), Project Director 

Gennadiy.Arkhipov@rusal.comИнститут высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) УрО РАНРоссияInstitute of High Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ) УрО РАН; Уральский федеральный университет (УрФУ) имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияInstitute of High Temperature Electrochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin (UrFU)Russian FederationООО «Объединенная компания РУСАЛ. Инженерно-технологический центр»Россия«RUSAL ETC» LLCRussian Federation202110122021276411Copyright © Руденко А.В., Катаев А.А., Ткачева О.Ю., Зайков Ю.П., Пьяных А.А., Архипов Г.В., 20212021Руденко А.В., Катаев А.А., Ткачева О.Ю., Зайков Ю.П., Пьяных А.А., Архипов Г.В.Rudenko A.V., Kataev A.A., Tkacheva O.Y., Zaykov Y.P., Pyanykh A.A., Arkhipov G.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1300

Проведены исследования вязкости криолитоглиноземных расплавов промышленного состава NaF–AlF3–CaF2–Al2O3 с криолитовым отношением КО = 2,3 в зависимости от содержания CaF2, Al2O3 и температуры. Вязкость образцов криолитоглиноземных электролитов, приготовленных в лабораторных условиях, и образцов электролитов промышленных электролизных ванн измеряли ротационным методом с использованием реометра FRS 1600 («Anton Paar», Австрия). Область ламинарного течения расплава, определенная по зависимости вязкости от скорости сдвига при постоянной температуре, составила 10–15 с–1 для всех исследованных образцов. Измерения температурной зависимости вязкости криолитоглиноземных расплавов проводили при скорости сдвига 12 ± 1 с–1 в температурном интервале от ликвидуса до 1020 °С. Показано, что изменение вязкости всех образцов в исследуемом температурном интервале (50–80 °С) можно описать линейным уравнением.

Средний температурный коэффициент линейных уравнений, описывающих вязкость криолитоглиноземных электролитов, приготовленных в лабораторных условиях, составил 0,005 мПа·с/°С, что в 2 раза меньше, чем у электролитов промышленных ванн. Таким образом, изменение вязкости электролитов промышленных ванн с повышением температуры – более существенное. Добавки как глинозема, так и фторида кальция повышают вязкость криолитового расплава. Вязкость приготовленных образцов промышленного состава NaF–AlF3–5%CaF2–4%Al2O3 (КО = 2,3) равна 3,11 ± 0,04 мПа·с при рабочей температуре электролиза 960 °С, а вязкость электролитов промышленных ванн с таким же криолитовым отношением выше на 10–15 % и лежит в интервале 3,0–3,7 мПа·с в зависимости от состава.

The study covers the viscosity of NaF–AlF3–CaF2–Al2O3 conventional cryolite-alumina melts with a cryolite ratio CR = 2.3 depending on the CaF2, Al2O3 content and temperature. The viscosity of cryolite-alumina electrolyte samples prepared under laboratory conditions and electrolyte samples of industrial electrolytic cells was measured by the rotary method using the FRS 1600 rheometer («Anton Paar», Austria). The laminar flow region of the melt determined according to the dependence of viscosity on shear rate at a constant temperature was 10–15 s–1 for all the studied samples. The temperature dependence of cryolite-alumina melt viscosity was measured at a shear rate of 12 ± 1 s–1 in the temperature range from liquidus to 1020 °C. It was shown that the change in the viscosity of all samples in the investigated temperature range (50–80 °С) can be described by a linear equation. The average temperature coefficient of linear equations describing the viscosity of cryolite-alumina electrolytes prepared in laboratory conditions was 0.005 mPа· s/°С, which is 2 times less compared to industrial cell electrolytes. Thus, the change in the viscosity of industrial cell electrolytes with increasing temperature is more significant. Both alumina and calcium fluoride additives increase the cryolite melt viscosity. The viscosity of samples prepared with the conventional composition NaF–AlF3–5%CaF2–4%Al2O3 (CR = 2.3) is equal to 3.11 ± 0.04 mPа· s at an electrolysis operating temperature of 960 °C, while the viscosity of industrial cell electrolytes with the same cryolite ratio is 10–15 % higher and falls in the range of 3.0–3.7 mPа· s depending on the electrolyte composition.

вязкостьротационный методкриолитглиноземный расплавглиноземфторид кальцияпроизводство алюминия.viscosityrotary methodcryolite-alumina meltaluminacalcium fluoridealuminum productionReferencesOye H.A., Mason N., Peterson R.D., Richards N.E. Aluminium: Approaching the new millennium. J. Metals. 1999. Vol. 51. P. 29—42.Oye H.A., Mason N., Peterson R.D., Richards N.E. Aluminium: Approaching the new millennium. J. Metals. 1999. Vol. 51. P. 29—42.Hua J., Rudshaug M., Droste C., Jorgensen R., Giskeodegard N.-H. Modelling of metal flow and metal pad heaving in a realistic reference aluminum reduction cell. Light Metals. 2016. P. 339—344.Hua J., Rudshaug M., Droste C., Jorgensen R., Giskeodegard N.-H. Modelling of metal flow and metal pad heaving in a realistic reference aluminum reduction cell. Light Metals. 2016. P. 339—344.Arkhipov A., Alzarooni A., Al Jasmi A., Potocnik V. Improving the understanding of busbar design and cell MHD performance. Light Metals 2017: The Minerals, Metals & Materials Series (Ed. A.P. Ratvik). 2017. P. 671—677.Arkhipov A., Alzarooni A., Al Jasmi A., Potocnik V. Improving the understanding of busbar design and cell MHD performance. Light Metals 2017: The Minerals, Metals & Materials Series (Ed. A.P. Ratvik). 2017. P. 671—677.Bardet B., Foetisch T., Renaudier S., Rappaz J., Flueck M., Picasso M. Alumina dissolution modelling in aluminium electrolysis cell considering MHD driven convection and thermal impact. Light Metals 2016: The Minerals, Metals & Materials Series (Ed. E. Williams). 2016. P. 315—319.Bardet B., Foetisch T., Renaudier S., Rappaz J., Flueck M., Picasso M. Alumina dissolution modelling in aluminium electrolysis cell considering MHD driven convection and thermal impact. Light Metals 2016: The Minerals, Metals & Materials Series (Ed. E. Williams). 2016. P. 315—319.Zhan S., Li M., Zhou J., Yang J., Zhou Y. CFD simulation of dissolution process of alumina in an aluminum reduction cell with two-particle phase population balance model. Appl. Thermal. Eng. 2014. Vol. 73. P. 805—818.Zhan S., Li M., Zhou J., Yang J., Zhou Y. CFD simulation of dissolution process of alumina in an aluminum reduction cell with two-particle phase population balance model. Appl. Thermal. Eng. 2014. Vol. 73. P. 805—818.Bojarevics V. Dynamic modelling of alumina feeding in an aluminium electrolysis cell. Light Metals 2019: The Minerals, Metals & Materials Series (Ed. C. Chesonis). 2019. P. 675—682.Bojarevics V. Dynamic modelling of alumina feeding in an aluminium electrolysis cell. Light Metals 2019: The Minerals, Metals & Materials Series (Ed. C. Chesonis). 2019. P. 675—682.Пьяных А., Архипов Г., Третьяков Я. Математическая модель магнитной гидродинамики и теплообмена в алюминиевом электролизере. Известия вузов. Цветная металлургия. 2019. No. 6. С. 23—33.Pianykh A., Arkhipov G., Tretyakov Ya. Mathematical model of magnetic hydrodynamics and heat transfer in an aluminum reduction cell. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2020. Vol. 61. No. 1. P. 65—73.Zhang H., Ran L., Liang J., Li T., Sun K., Li J. Study on 3D full cell ledge shape calculation and optimal design criteria by coupled thermos-flow model. Light Metals 2018: The Minerals, Metals & Materials Series (Ed. O. Martin). 2018. P. 587—596.Zhang H., Ran L., Liang J., Li T., Sun K., Li J. Study on 3D full cell ledge shape calculation and optimal design criteria by coupled thermos-flow model. Light Metals 2018: The Minerals, Metals & Materials Series (Ed. O. Martin). 2018. P. 587—596.Pianykh A.A., Bogovalov S.V., Tronin I.V., Tkacheva O.Y., Radzyuk A.Y. 3-D numerical modeling of MHD flows in an aluminum reduction cell. IOP. Conf. Ser.: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 537. No. 6. Art. 62071.Pianykh A.A., Bogovalov S.V., Tronin I.V., Tkacheva O.Y., Radzyuk A.Y. 3-D numerical modeling of MHD flows in an aluminum reduction cell. IOP. Conf. Ser.: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 537. No. 6. Art. 62071.Silny A., Chrenkova M., Danek V., Vasiljev R., Nguyen D.K., Thonstad J. Density, viscosity, surface tension, and interfacial tension in the systems NaF(KF) + AlF3. J. Chem. Eng. Data. 2004. Vol. 49. P. 1542—1545.Silny A., Chrenkova M., Danek V., Vasiljev R., Nguyen D.K., Thonstad J. Density, viscosity, surface tension, and interfacial tension in the systems NaF(KF) + AlF3. J. Chem. Eng. Data. 2004. Vol. 49. P. 1542—1545.Robelin C., Chartrand P. A viscosity model for the (NaF + + AlF3 + CaF2 + Al2O3) electrolyte. J. Chem. Thermodynam. 2011. Vol. 43. P. 764—774.Robelin C., Chartrand P. A viscosity model for the (NaF + + AlF3 + CaF2 + Al2O3) electrolyte. J. Chem. Thermodynam. 2011. Vol. 43. P. 764—774.Korenko M. Density, viscosity and electrical conductivity of the molten cryolite electrolytes (Na3AlF6—SiO2) for Solar grade silicon (Si—SoG) electrowinning. Silicon. 2015. Vol. 7. P. 261—267.Korenko M. Density, viscosity and electrical conductivity of the molten cryolite electrolytes (Na3AlF6—SiO2) for Solar grade silicon (Si—SoG) electrowinning. Silicon. 2015. Vol. 7. P. 261—267.Solheim A. Some aspects of heat transfer between bath and sideledge in aluminum reduction cells. Light Metals. 2011. P. 381—386.Solheim A. Some aspects of heat transfer between bath and sideledge in aluminum reduction cells. Light Metals. 2011. P. 381—386.Severo D., Gusberti V. A modeling approach to estimate bath and metal heat transfer coefficient. Light Metals. 2009. P. 557—562.Severo D., Gusberti V. A modeling approach to estimate bath and metal heat transfer coefficient. Light Metals. 2009. P. 557—562.Иванова А.М., Архипов П.А., Руденко А.В., Ткачева О.Ю., Зайков Ю.П. Формированиe гарнисажа и настыли в алюминиевом электролизере. Известия вузов. Цветная металлургия. 2019. No. 5. С. 23—31.Ivanova A.M., Arkhipov P.A., Rudenko A.V., Tkacheva O.Yu., Zaikov Yu.P. Formation of side ledge and bottom ledge in an aluminum electrolyzer. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2019. Vol. 60. No. 6. P. 624—631. DOI: 10.3103/S1067821219060075.Tkacheva O., Arkhipov P., Zaykov Yu. Solid phase formation during aluminium electrolysis. Electrochem. Commun. 2020. Vol. 110. Art. 106624.Tkacheva O., Arkhipov P., Zaykov Yu. Solid phase formation during aluminium electrolysis. Electrochem. Commun. 2020. Vol. 110. Art. 106624.Jianfei Z., Dupuis M., Feiya Y., Xiaobing Y., Jun H. Depth analysis and potentiality exploitation on energy-saving and consumption-reduction of aluminum reduction pot. Light Metals. 2012. P. 601—606.Jianfei Z., Dupuis M., Feiya Y., Xiaobing Y., Jun H. Depth analysis and potentiality exploitation on energy-saving and consumption-reduction of aluminum reduction pot. Light Metals. 2012. P. 601—606.Абрамов Г.А., Ветюков М.М., Гупало И.П. Теоретические основы электрометаллургии алюминия. М.: Металлургиздат, 1953.Abramov G.A., Vetyukov M.M., Gupalo I.P. Theoretical foundations of aluminum electrometallurgy. Moscow: Metallurgizdat, 1953 (In Russ.).Беляев А.И. Металлургия легких металлов. М.: Металлургия, 1970.Belyaev A.I. Metallurgy of light metals. Moscow: Metallurgiya, 1970 (In Russ.).Votava I., Matiasovsky K. Measurement of viscosity of fused salts. I. Method of measurement. Viscosity of Li3AlF6 and Na3AlF6. Chem. Zvesti. 1973. Vol. 27. No. 2. P. 172—182.Votava I., Matiasovsky K. Measurement of viscosity of fused salts. I. Method of measurement. Viscosity of Li3AlF6 and Na3AlF6. Chem. Zvesti. 1973. Vol. 27. No. 2. P. 172—182.Watanabe K. Viscosity and dissociation mechanism of a cryolite flux, Na3AlF6, during the growth of corundum single crystals. Bull. Chem. Soc. Japan. 1993. Vol. 66. No. 4. P. 1098—1103.Watanabe K. Viscosity and dissociation mechanism of a cryolite flux, Na3AlF6, during the growth of corundum single crystals. Bull. Chem. Soc. Japan. 1993. Vol. 66. No. 4. P. 1098—1103.Tkacheva O., Arkhipov P., Kataev A., Rudenko A., Zaykov Yu. Electrolyte viscosity and solid phase formation during aluminium electrolysis. Electrochem. Commun. 2021. Vol. 122. Art. 106893.Tkacheva O., Arkhipov P., Kataev A., Rudenko A., Zaykov Yu. Electrolyte viscosity and solid phase formation during aluminium electrolysis. Electrochem. Commun. 2021. Vol. 122. Art. 106893.Ly X., Chen C., Han Z. Shear viscosities and thermal conductivity of NaF—AlF3 molten salts: A non-equilibrium molecular dynamics study. J. Fluor. Chem. 2021. Vol. 241. Art. 109675.Ly X., Chen C., Han Z. Shear viscosities and thermal conductivity of NaF—AlF3 molten salts: A non-equilibrium molecular dynamics study. J. Fluor. Chem. 2021. Vol. 241. Art. 109675.Grjotheim K., Krohn C., Malinovsky M., Matiasovsky K., Thonstad J. Aluminum electrolysis. Fundamentals of the Hall-Heroult process. 2-nd ed. Dusseldorf: Aluminium-Verlag, 1982.Grjotheim K., Krohn C., Malinovsky M., Matiasovsky K., Thonstad J. Aluminum electrolysis. Fundamentals of the Hall-Heroult process. 2-nd ed. Dusseldorf: Aluminium-Verlag, 1982.Hertzberg T., Torklep K., Oye H. Viscosity of NaF—AlF3—Al2O3 melt mixtures. In: Essential Readings in Light Metals (Eds. Bearne G., Dupuis M., Tarcy G.). Springer, 2016. P. 19—24.Hertzberg T., Torklep K., Oye H. Viscosity of NaF—AlF3—Al2O3 melt mixtures. In: Essential Readings in Light Metals (Eds. Bearne G., Dupuis M., Tarcy G.). Springer, 2016. P. 19—24.Solheim A., Rolseth S., Skybakmoem E., Stoen L., Sterten A., Store T. Liquidus temperature and alumina solubility in the system Na3AlF6—AlF3—LiF—CaF2—MgF2. In: Essential Readings in Light Metals (Eds. Bearne G., Dupuis M., Tarcy G.). Springer, 2016. Р. 73—82.Solheim A., Rolseth S., Skybakmoem E., Stoen L., Sterten A., Store T. Liquidus temperature and alumina solubility in the system Na3AlF6—AlF3—LiF—CaF2—MgF2. In: Essential Readings in Light Metals (Eds. Bearne G., Dupuis M., Tarcy G.). Springer, 2016. Р. 73—82.Шрамм Г. Основы практической реологии и реометрии. М.: Колос, 2003.Schramm G. A practical approach to rheology and rheometry. Gebrueder HAAKE GmbH, Karlsruhe. FRG, 1994.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.