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

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1CEW实W理100%电流效率的定义W理=0.3356×I×t=0.3356kg.kA-1.h-1CE=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；②Kvanda: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①AlF3: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③Al2O3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三1CO2/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%VCO2CO2%=VV100%COCO2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