铝电解电流效率理论与实践的新认识

铝电解电流效率理论与实践 的新认识

周乃君中南大学能源与动力工程学院

一 前言

20多年来，对电流效率的理论和实践也有了很大的发展。

本文简单介绍理论和实践方面的新认识。

一 前言1CE W实 W理 100%

电 流 效 率 的 定 义

W理 = 0.3356×I×t= 0.3356 kg.kA-1.h-1

CE=

i阴 i总

100%=

i损 i总 i损 100% 100% =1-CE损 =1i总 i总

i阴：用于产铝的阴极电流密度 i总：总阴极电流密度 i损 ：损失的阴极电流密度

一 前言(1)i1:铝的二次反应 2 关 于 电 流 损 失2Al(溶) + 3CO2(气) = Al2O3 + 3CO(气)

(2)i2:钠的二次反应6Na(溶) + 3CO2(气) + 2AlF3(溶) = 6NaF(溶) + Al2O3 + 3CO(气)

(3)i3:Al4C3的生成和氧化4Al(溶) + 3C(固) = Al4C3(固) Al4C3(溶) + 6CO2(气) = 2Al2O3(溶) + 3C(固) + 6CO(气)

(4)i4:电子导电性溶解的钠使电解质具有微弱的电子导电性，电子导电性形同 短路，这样引起的电流损失估计在 1~2%左右。温度降低，分子 比减小，将减小电解质的电子导电性，有利于提高电流效率。

一 前言2

(5)i5:杂质引起的损失硅、钒、钛、铁的析出消耗了电流，特别是磷反复在阳极 氧化，在阴极还原，引起电流损失。

关 于 电 流 损 失

(6)i6:阴极和阳极之间的瞬时短路因操作不慎而常发生。

(7)i7:铝或钠渗透进电解槽的内衬材料而引起。 如电解槽不发生漏电，i损= i1+ i2+ i3+ i4+ i5+i6+ i7; 采取任何措施能减少i损，就能够提高电流效率。

二1 提 高 电 流 效 率 的 历 史 回 顾

工业预焙槽上的电流效率问题

二2 影 响 工 业 槽 电 流 效 率 的 因 素

工业预焙槽上的电流效率问题(1)温度与过热度① 一般是温度降低，二次反应减少；

② Kvanda :温度降低 5 ~ 6℃,电流效率可提高 1% ,但现代预 焙槽也有相互矛盾的表现。 高电解温度也能得到高电流效率，电解质组成影响铝在其中的 溶解度，因而二次反应不显得剧烈； 跟电解槽的稳定性有关，低温和高温均可得到较高的电流效率； 更好的过程控制可以保持较低的温度，达到高电流效率。

二2 影 响 工 业 槽 电 流 效 率 的 因 素

工业预焙槽上的电流效率问题③Tabereaux:过热度比电解温度更重要.过热度小，电流 效率高，过热度增加10℃,电流效率降低1.2~1.5%。

电流效率与电解质过热度的关系 过热度小，容易生成侧部炉帮，阴极铝液镜面的面积缩小，因 而可提高电流效率。

二2 影 响 工 业 槽 电 流 效 率 的 因 素

工业预焙槽上的电流效率问题

(2)电解质组成 ① AlF3:现代电解槽低分子比电解质， NaF/AlF3≤1.5~2.2,美国铝业公司1955年采用40年以后才公开。

电流效率与分子比的函数

关系

二2 影 响 工 业 槽 电 流 效 率 的 因 素

工业预焙槽上的电流效率问题但是，低分子比的电解质有重大缺点：a. 减少了电解质的导电率；

b. 减小了氧化铝的溶解度；c. 增大了电解质的挥发损失； d. 增大了 Al4C3 的溶解( Al4C3 对阴极和内衬破 坏很大);

e. 操作困难；

二2 影 响 工 业 槽 电 流 效 率 的 因 素 ②

工业预焙槽上的电流效率问题LiF:美国雷诺公司是最早(1965年)采用 含LiF的电解质的(我国于1970年后采用), LiF对电流效率的好影响是：

a. 降低电解质的初晶温度，添加1%的LiF,可降 低9℃; b. 提高了电解质的导电率，因而可以增大极距；

二2 影 响 工 业 槽 电 流 效 率 的 因 素

工业预焙槽上的电流效率问题!工业实践表明:a.老式电解槽(侧插或上插自焙槽)采用含LiF的电解质能 有效的提高电流效率，但是，大型预焙槽的效果不一定好；

b.大型预焙槽的电流效率已经高达95%的，再用LiF没有作用；c.大型预焙槽已经采用低分子比的，再用LiF也没有作用， 而且操作当中很难保持LiF含量和AlF3含量的稳定； d.费用高，不经济，铝中含有少量的锂；采用MgF2和CaF2作为电解质组成在降低电解质的初晶温度方面是 有正面影响的。

二2 影 响 工 业 槽 电 流 效 率 的 因 素

工业预焙槽上的电流效率问题③ Al2O3含量，两种观点： Al2O3含量对电流效率有影响，而且是正面的影响；

Al2O3含量对电流效率没有影响，或者影响很小。

总倾向是，Al2O3对电流效率的影响比较小。

④ 关于最佳电解质组成问题没有放之四海而皆优的电解质组成。各大公司、铝厂， 甚至铝厂的各个厂房都有适合自己生产情况的电解质组成， 仅对众所周知的电解质的组成,按各厂的条件做若干调整. 许多铝厂对所用的电解质组成严格保密。

二2 影 响 工 业 槽 电 流 效 率 的 因 素

工业预焙槽上的电流效率问题(3)电解槽设计还在继续总结和认识之中，比较确定的有： ① 减小电解槽的大面有利于提高阴极电流密度，从而提高电 流效率。设计中，把侧部碳块放在靠近阳极投影的阴极部位 效果比较好； ② 小阳极替代大阳极有利于阳极气体的排放，因而有利于提 高电流效率。 例：预焙槽的电流效率总要大于只有一个大阳极的自焙槽；

③ 磁场及其补偿根据不同的槽形而定，采取了磁场补偿之后 可以减小铝液波动和扰动的影响，减缓了 Al 的溶解，有利于 提高电流效率；④ 采用点式下料和先进的控制技术，能保证电解槽在优化的 情况下工作，有利于提高电流效率。

二2 影 响 工 业 槽 电 流 效 率 的 因 素

工业预焙槽上的电流效率问题(4)电

解槽操作 包括：电解质组成、铝液高度、电解质水平、极距的 保持、电解槽启动、电解槽槽龄、阴极条件等； 各操作参数对电流效率产生各自影响，但各种参数的 综合作用难于找出统一规律，由各铝厂自行优化。

三

电流效率的测量

准确及时测定电流效率方法，至今仍然是没有 妥善解决的问题。 目前测定电流效率的方法有：CO2/CO分析法示踪原子法 氧平衡法 盘存法

三1 CO2/CO分析法

电流效率的测量

原理：皮尔逊-瓦丁顿提出，按照CO2/CO的比值求出瞬间的电流效率

CE(%)=50%+CO2% VCO2 CO2%= V V 100% CO CO2 设备：红外CO2分析仪、奥沙托CO2分析器。

优点：严格的取样操作时，电流效率数据有很好的参考价值，所得结果与加铜稀释法相当。

缺点：收集阳极气体时如有空气漏入，误差可达几个百分点。

三2 示踪原子法

电流效率的测量

原理：往铝水中加入Cu、Ag、Au198、Co60等，经一定时间后分析该元素在铝水中的相对含量。

设备：微量元素分析装置、盖格计数器。优点：较准确，特别是加入少量放射性同位素，就可得到精度较高的结果

缺点：加入的元素要与铝液混合均匀；但放射性的完全消失需要时间，许多厂家不愿意用。

三3

电流效率的测量

总氧量的平衡法 仪器复杂、昂贵而且受磁场的影响：要采用质谱仪

测定电解槽气体的组成，还要用流量计测定阳极气体的流量。

4

盘存法

依据是：电解槽产出的铝扣除槽内起动投的铝得出实际产出铝量； 关键是：槽内存铝量的准确测定； 工业上最常用的方法：较长时期的生产(3个月或半年)后进行槽内存留铝量的盘存而获得电流效率的数据颇为准确；