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1、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 1 电流效率的定义 W理 = 0.3356It= 0.3356 kg.kA-1.h-1 CE= = =1- =1-CE损 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 2 关于电流损失 一 前言 （1）i1：铝的二次反应 2Al(溶) + 3CO2(气) = Al2O3 + 3CO(气) （2）i2：钠的二次反应 6Na(溶) + 3CO2(气) + 2AlF3(溶) = 6Na
2、F(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12%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 关于电流损失 （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。 （6）i6：阴极和阳极之间的瞬时短路
3、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 工业预焙槽上的电流效率问题 1 提高电流效率的历史回顾 2 影响工业槽电流效率的因素 （1）温度与过热度 一般是温度降低，二次反应减少； Kvanda：温度降低56，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
4、的温度，达到高电流效率。 二 工业预焙槽上的电流效率问题 Tabereaux：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1.21.5%。 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。 电流效率与电解质过热度的关系 2 影响工业槽电流效率的因素 二 工业预焙槽上的电流效率问题 （2）电解质组成 AlF3：现代电解槽低分子比电解质， NaF/AlF31.52.2， 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 2 影响工业槽电流效率的因素 二 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：
5、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； 2 影响工业槽电流效率的因素 二 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 ； 2 影响工业槽电流效率的因素 二 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Li
6、F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。 2 影响工业槽电流效率的因素 二 工业预焙槽上的电流效率问题 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
7、小。 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。 2 影响工业槽电流效率的因素 二 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： 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； 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； 磁场及其补偿根
8、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； 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。 2 影响工业槽电流效率的因素 二 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。 2 影响工业槽电流效率的因素 二 工业预焙槽上的电流效率问题 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
9、。 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 1CO2/CO分析法 CE(%)=50%+CO2% CO2%= 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 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 电流效率的测量 2 示踪原子法 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
10、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 电流效率的测量 3 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； 三 电流效率的测量 四 结语 采用较低的分子比，较低氧化铝浓度，较低的电解 温度，低的效应系数，点式下料加自动控制，维持铝 液面稳定，减少扰动，保持炉帮与伸腿，防止换阳极 时的短路，因厂、因槽制宜地，摆好工艺技术条件， 可望获得高的电流效率。
