鋁電解電流效率理論與實踐的新認識

鋁電解電流效率理論與實踐的新認識周乃君中南大學能源與動力工程學院一前言20多年來，對電流效率的理論和實踐也有了很大的發展。本文簡單介紹理論和實踐方面的新認識。一前言1CEW實W理100%電流效率的定義W理=0.3356×I×t=0.3356kg.kA-1.h-1CE=i陰i總100%=i損i總i損100%100%=1-CE損=1i總i總i陰：用于產鋁的陰極電流密度i總：總陰極電流密度i損：損失的陰極電流密度一前言(1)i1:鋁的二次反應2關于電流損失2Al(溶)+3CO2(氣)=Al2O3+3CO(氣)(2)i2:鈉的二次反應6Na(溶)+3CO2(氣)+2AlF3(溶)=6NaF(溶)+Al2O3+3CO(氣)(3)i3:Al4C3的生成和氧化4Al(溶)+3C(固)=Al4C3(固)Al4C3(溶)+6CO2(氣)=2Al2O3(溶)+3C(固)+6CO(氣)(4)i4:電子導電性溶解的鈉使電解質具有微弱的電子導電性，電子導電性形同短路，這樣引起的電流損失估計在1~2%左右。溫度降低，分子比減小，將減小電解質的電子導電性，有利于提高電流效率。一前言2(5)i5:雜質引起的損失硅、釩、鈦、鐵的析出消耗了電流，特別是磷反復在陽極氧化，在陰極還原，引起電流損失。關于電流損失(6)i6:陰極和陽極之間的瞬時短路因操作不慎而常發生。(7)i7:鋁或鈉滲透進電解槽的內襯材料而引起。如電解槽不發生漏電，i損=i1+i2+i3+i4+i5+i6+i7;采取任何措施能減少i損，就能夠提高電流效率。二1提高電流效率的歷史回顧工業預焙槽上的電流效率問題二2影響工業槽電流效率的因素工業預焙槽上的電流效率問題(1)溫度與過熱度①一般是溫度降低，二次反應減少；②Kvanda:溫度降低5~6℃,電流效率可提高1%,但現代預焙槽也有相互矛盾的表現。高電解溫度也能得到高電流效率，電解質組成影響鋁在其中的溶解度，因而二次反應不顯得劇烈；跟電解槽的穩定性有關，低溫和高溫均可得到較高的電流效率；更好的過程控制可以保持較低的溫度，達到高電流效率。二2影響工業槽電流效率的因素工業預焙槽上的電流效率問題③Tabereaux:過熱度比電解溫度更重要.過熱度小，電流效率高，過熱度增加10℃,電流效率降低1.2~1.5%。電流效率與電解質過熱度的關系過熱度小，容易生成側部爐幫，陰極鋁液鏡面的面積縮小，因而可提高電流效率。二2影響工業槽電流效率的因素工業預焙槽上的電流效率問題(2)電解質組成①AlF3:現代電解槽低分子比電解質，NaF/AlF3≤1.5~2.2,美國鋁業公司1955年采用40年以后才公開。電流效率與分子比的函數關系二2影響工業槽電流效率的因素工業預焙槽上的電流效率問題但是，低分子比的電解質有重大缺點：a.減少了電解質的導電率；b.減小了氧化鋁的溶解度；c.增大了電解質的揮發損失；d.增大了Al4C3的溶解(Al4C3對陰極和內襯破壞很大);e.操作困難；二2影響工業槽電流效率的因素②工業預焙槽上的電流效率問題LiF:美國雷諾公司是最早(1965年)采用含LiF的電解質的(我國于1970年后采用),LiF對電流效率的好影響是：a.降低電解質的初晶溫度，添加1%的LiF,可降低9℃;b.提高了電解質的導電率，因而可以增大極距；二2影響工業槽電流效率的因素工業預焙槽上的電流效率問題!工業實踐表明:a.老式電解槽(側插或上插自焙槽)采用含LiF的電解質能有效的提高電流效率，但是，大型預焙槽的效果不一定好；b.大型預焙槽的電流效率已經高達95%的，再用LiF沒有作用；c.大型預焙槽已經采用低分子比的，再用LiF也沒有作用，而且操作當中很難保持LiF含量和AlF3含量的穩定；d.費用高，不經濟，鋁中含有少量的鋰；采用MgF2和CaF2作為電解質組成在降低電解質的初晶溫度方面是有正面影響的。二2影響工業槽電流效率的因素工業預焙槽上的電流效率問題③Al2O3含量，兩種觀點：Al2O3含量對電流效率有影響，而且是正面的影響；Al2O3含量對電流效率沒有影響，或者影響很小。總傾向是，Al2O3對電流效率的影響比較小。④關于最佳電解質組成問題沒有放之四海而皆優的電解質組成。各大公司、鋁廠，甚至鋁廠的各個廠房都有適合自己生產情況的電解質組成，僅對眾所周知的電解質的組成,按各廠的條件做若干調整.許多鋁廠對所用的電解質組成嚴格保密。二2影響工業槽電流效率的因素工業預焙槽上的電流效率問題(3)電解槽設計還在繼續總結和認識之中，比較確定的有：①減小電解槽的大面有利于提高陰極電流密度，從而提高電流效率。設計中，把側部碳塊放在靠近陽極投影的陰極部位效果比較好；②小陽極替代大陽極有利于陽極氣體的排放，因而有利于提高電流效率。例：預焙槽的電流效率總要大于只有一個大陽極的自焙槽；③磁場及其補償根據不同的槽形而定，采取了磁場補償之后可以減小鋁液波動和擾動的影響，減緩了Al的溶解，有利于提高電流效率；④采用點式下料和先進的控制技術，能保證電解槽在優化的情況下工作，有利于提高電流效率。二2影響工業槽電流效率的因素工業預焙槽上的電流效率問題(4)電解槽操作包括：電解質組成、鋁液高度、電解質水平、極距的保持、電解槽啟動、電解槽槽齡、陰極條件等；各操作參數對電流效率產生各自影響，但各種參數的綜合作用難于找出統一規律，由各鋁廠自行優化。三電流效率的測量準確及時測定電流效率方法，至今仍然是沒有妥善解決的問題。目前測定電流效率的方法有：CO2/CO分析法示蹤原子法氧平衡法盤存法三1CO2/CO分析法電流效率的測量原理：皮爾遜-瓦丁頓提出，按照CO2/CO的比值求出瞬間的電流效率CE(%)=50%+CO2%VCO2CO2%=VV100%COCO2設備：紅外CO2分析儀、奧沙托CO2分析器。優點：嚴格的取樣操作時，電流效率數據有很好的參考價值，所得結果與加銅稀釋法相當。缺點：收集陽極氣體時如有空氣漏入，誤差可達幾個百分點。三2示蹤原子法電流效率的測量原理：往鋁水中加入Cu、Ag、Au198、Co60等，經一定時間后分析該元素在鋁水中的相對含量。設備：微量元素分析裝置、蓋格計數器。優點：較準確，特別是加入少量放射性同位素，就可得到精度較高的結果缺點：加入的元素要與鋁液混合均勻；但放射性的完全消失需要時間，許多廠家不愿意用。三3電流效率的測量總氧量的平衡法儀器復