鋁電解電流效率理論與實(shí)踐的新認(rèn)識(shí)

鋁電解電流效率理論與實(shí)踐的新認(rèn)識(shí)

鋁電解電流效率理論與實(shí)踐的新認(rèn)識(shí)周乃君中南大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院一前言20多年來，對(duì)電流效率的理論和實(shí)踐也有了很大的發(fā)展。本文簡(jiǎn)單介紹理論和實(shí)踐方面的新認(rèn)識(shí)。一前言1CEW實(shí)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(chǎn)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(yīng)2關(guān)于電流損失2Al(溶)+3CO2(氣)=Al2O3+3CO(氣)(2)i2:鈉的二次反應(yīng)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(dǎo)電性溶解的鈉使電解質(zhì)具有微弱的電子導(dǎo)電性，電子導(dǎo)電性形同短路，這樣引起的電流損失估計(jì)在1~2%左右。溫度降低，分子比減小，將減小電解質(zhì)的電子導(dǎo)電性，有利于提高電流效率。一前言2(5)i5:雜質(zhì)引起的損失硅、釩、鈦、鐵的析出消耗了電流，特別是磷反復(fù)在陽(yáng)極氧化，在陰極還原，引起電流損失。關(guān)于電流損失(6)i6:陰極和陽(yáng)極之間的瞬時(shí)短路因操作不慎而常發(fā)生。(7)i7:鋁或鈉滲透進(jìn)電解槽的內(nèi)襯材料而引起。如電解槽不發(fā)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(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題二2影響工業(yè)槽電流效率的因素工業(yè)預(yù)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(yīng)減少；②Kvanda:溫度降低5~6℃,電流效率可提高1%,但現(xiàn)代預(yù)焙槽也有相互矛盾的表現(xiàn)。高電解溫度也能得到高電流效率，電解質(zhì)組成影響鋁在其中的溶解度，因而二次反應(yīng)不顯得劇烈；跟電解槽的穩(wěn)定性有關(guān)，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(dá)到高電流效率。二2影響工業(yè)槽電流效率的因素工業(yè)預(yù)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(zhì)過熱度的關(guān)系過熱度小，容易生成側(cè)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(yè)槽電流效率的因素工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題(2)電解質(zhì)組成①AlF3:現(xiàn)代電解槽低分子比電解質(zhì)，NaF/AlF3≤1.5~2.2,美國(guó)鋁業(yè)公司1955年采用40年以后才公開。電流效率與分子比的函數(shù)關(guān)系二2影響工業(yè)槽電流效率的因素工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題但是，低分子比的電解質(zhì)有重大缺點(diǎn)：a.減少了電解質(zhì)的導(dǎo)電率；b.減小了氧化鋁的溶解度；c.增大了電解質(zhì)的揮發(fā)損失；d.增大了Al4C3的溶解(Al4C3對(duì)陰極和內(nèi)襯破壞很大);e.操作困難；二2影響工業(yè)槽電流效率的因素②工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題LiF:美國(guó)雷諾公司是最早(1965年)采用含LiF的電解質(zhì)的(我國(guó)于1970年后采用),LiF對(duì)電流效率的好影響是：a.降低電解質(zhì)的初晶溫度，添加1%的LiF,可降低9℃;b.提高了電解質(zhì)的導(dǎo)電率，因而可以增大極距；二2影響工業(yè)槽電流效率的因素工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題!工業(yè)實(shí)踐表明:a.老式電解槽(側(cè)插或上插自焙槽)采用含LiF的電解質(zhì)能有效的提高電流效率，但是，大型預(yù)焙槽的效果不一定好；b.大型預(yù)焙槽的電流效率已經(jīng)高達(dá)95%的，再用LiF沒有作用；c.大型預(yù)焙槽已經(jīng)采用低分子比的，再用LiF也沒有作用，而且操作當(dāng)中很難保持LiF含量和AlF3含量的穩(wěn)定；d.費(fèi)用高，不經(jīng)濟(jì)，鋁中含有少量的鋰；采用MgF2和CaF2作為電解質(zhì)組成在降低電解質(zhì)的初晶溫度方面是有正面影響的。二2影響工業(yè)槽電流效率的因素工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題③Al2O3含量，兩種觀點(diǎn)：Al2O3含量對(duì)電流效率有影響，而且是正面的影響；Al2O3含量對(duì)電流效率沒有影響，或者影響很小?？們A向是，Al2O3對(duì)電流效率的影響比較小。④關(guān)于最佳電解質(zhì)組成問題沒有放之四海而皆優(yōu)的電解質(zhì)組成。各大公司、鋁廠，甚至鋁廠的各個(gè)廠房都有適合自己生產(chǎn)情況的電解質(zhì)組成，僅對(duì)眾所周知的電解質(zhì)的組成,按各廠的條件做若干調(diào)整.許多鋁廠對(duì)所用的電解質(zhì)組成嚴(yán)格保密。二2影響工業(yè)槽電流效率的因素工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題(3)電解槽設(shè)計(jì)還在繼續(xù)總結(jié)和認(rèn)識(shí)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(shè)計(jì)中，把側(cè)部碳?jí)K放在靠近陽(yáng)極投影的陰極部位效果比較好；②小陽(yáng)極替代大陽(yáng)極有利于陽(yáng)極氣體的排放，因而有利于提高電流效率。例：預(yù)焙槽的電流效率總要大于只有一個(gè)大陽(yáng)極的自焙槽；③磁場(chǎng)及其補(bǔ)償根據(jù)不同的槽形而定，采取了磁場(chǎng)補(bǔ)償之后可以減小鋁液波動(dòng)和擾動(dòng)的影響，減緩了Al的溶解，有利于提高電流效率；④采用點(diǎn)式下料和先進(jìn)的控制技術(shù)，能保證電解槽在優(yōu)化的情況下工作，有利于提高電流效率。二2影響工業(yè)槽電流效率的因素工業(yè)預(yù)焙槽上的電流效率問題(4)電解槽操作包括：電解質(zhì)組成、鋁液高度、電解質(zhì)水平、極距的保持、電解槽啟動(dòng)、電解槽槽齡、陰極條件等；各操作參數(shù)對(duì)電流效率產(chǎn)生各自影響，但各種參數(shù)的綜合作用難于找出統(tǒng)一規(guī)律，由各鋁廠自行優(yōu)化。三電流效率的測(cè)量準(zhǔn)確及時(shí)測(cè)定電流效率方法，至今仍然是沒有妥善解決的問題。目前測(cè)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(cè)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(shè)備：紅外CO2分析儀、奧沙托CO2分析器。優(yōu)點(diǎn)：嚴(yán)格的取樣操作時(shí)，電流效率數(shù)據(jù)有很好的參考價(jià)值，所得結(jié)果與加銅稀釋法相當(dāng)。缺點(diǎn)：收集陽(yáng)極氣體時(shí)如有空氣漏入，誤差可達(dá)幾個(gè)百分點(diǎn)。三2示蹤原子法電流效率的測(cè)量原理：往鋁水中加入Cu、Ag、Au198、Co60等，經(jīng)一定時(shí)間后分析該元素在鋁水中的相對(duì)含量。設(shè)備：微量元素分析裝置、蓋格計(jì)數(shù)器。優(yōu)點(diǎn)：較準(zhǔn)確，特別是加入少量放射性同位素，就可得到精度較高的結(jié)果缺點(diǎn)：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(shí)間，許多廠家不愿意用。三3電流效率的測(cè)量總氧量的平衡法儀器復(fù)