电解铝电流效率ppt课件

1、第五章 铝电解的电流效率重庆旗能电铝消费预备部王民第一节 概述电流效率是铝电解消费最重要的技术经济目的之一，20 多年来，对提高电流效率的研讨，从实际到实际都有了很大的进展。 当前，最好的预焙阳极铝预焙槽年平均电流效率略大于96%，表1引见了两种经典槽型的技术参数以及旗能槽型的设计参数。 表1 现代工业铝预焙槽的电流效率和其他重要目的 1.1电流效率的定义电流效率是单位时间电解产出铝的质量与按法拉第定律计算的实际产出量之比，即：CE =W实/W理100%式中：W理 = 0.3356It= 0.3356 kgkA-1h-1 I 为电流强度，A； t 为时间，小时； 0.3356 为Al 的电化当

2、量。1.2 铝的电化当量 1、铝的电化学当量定义是电流为1A、电解时间为1h时，阴极上所析出的铝量，它是根据法拉第定律推导出来的。 法拉第第一定律：在电解过程中，阴极上复原物质析出的量与所经过的电流强度和通电时间成正比。 法拉第第二定律： 电解过程中，经过的电量一样，所析出或溶解出的不同物质的物质的量一样。也可以表述为：电解1mol的物质，所需用的电量都是1个“法拉第(F)， 1F=96485C 结合第一定律也可以说用一样的电量经过不同的电解质溶液时，在电极上析出(或溶解)的物质与它们的物质的量成正比。 结合法拉第第一和第二定律，得出电解时，电极上发生化学反响的物质的质量和经过电解池的电量成正

3、比。可用以下公式定量表示： m=MQ/nF=MIt/nF 式中m为电极上发生化学反响的物质的质量(kg)，M为反响物质的摩尔质量(kgmol-1)，Q为电量(C)， F为法拉第常数(96485Cmol-1)， n为电极反响计量方程式中电子的计量系数，t为时间(s)，I为电流强度(A)。 铝的电化当量值： 知：1mol的铝为26.98154g，电解质熔体中的铝为Al 3+，通入预焙槽1A的电流，通入时间电解时间1h，根据法拉第定律，在阴极上析出率的质量 m=26.98154*1*3600/3/96485=0.3356g第二节 关于电流损失 如今的实际和实际证明电流效率CE很难超越98%，其缘由是

4、不可防止有假设干的电流损失。 电流损失主要是两大方面，即铝的二次反响损失和钠的二次反响损失，共七个工程 。2.1铝的二次反响损失 i1这种损失是最主要的设为i1，其反响式为 2Al(溶) + 3CO2(气) = Al2O3 + 3CO(气) 其动力学机理为：Al 从铝液/电解质的界面上转移至电解质本体，这种溶解的Al 再经过电解质转移到阳极/电解质界面，溶解的Al 被CO2所氧化并生成CO2.2 钠的二次反响损失 i2 电解过程中钠析出耗费的电流，而析出的钠被再氧化而损失 ，用i2 表示 6Na(溶) + 3CO2(气) + 2AlF3(溶) = 6NaF(溶) + Al2O3 + 3CO(气

5、) 由于Na+离子是电解质中传送电流的主要载体，它富集在阴极区的边境层，当阴极电流密度提高时，析出的Na 进入铝和电解质中，当遇到CO2 时即被氧化而损失。因此，现代炼铝技术中，有的工厂经过铝中钠的含量或槽内接近铝液区的电解质中钠的含量来表示电流效率的大小 。现代预焙槽由于磁场的平衡，铝液的流动减慢，同时对铝液面的干扰减少，减缓了Na+由边境层向电解质中的分散，减少了Na 的氧化损失。因此，在边境层，Na+的浓度比较高，这种槽的电流效率将会很高，同时，边境层的Na+含量高，也阐明铝液镜面很稳定，电流效率也会很高。2.3 Al4C3的生成和氧化 i3反响为：4Al(溶) + 3C(固) = Al

6、4C3(固) 通常发生在与铝液接触的阴极碳块上，也会发生在没有电解质炉帮维护的侧部碳块上。当槽内铝液程度降低时，生成的Al4C3与电解质接触，发生溶解，Al4C3在电解质的最大溶解度分子比为1.8 时为2.15%，而后，遭遇阳极气体或空气作用而氧化，其反响为： Al4C3(溶) + 6CO2(气) = 2Al2O3(溶) + 3C(固) + 6CO(气) Al4C3的生成也是阴极内衬破损的主要缘由之一2.4电子导电性 i4 电子导电性主要是由溶解的钠引起的。金属溶解在本身的熔盐中，容易构成“色心，它具有电子导电性。因此，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

7、2%左右。研讨阐明，降低温度，减小AlF3含量，将减小电解质的电子导电性，有利于提高电流效率。2.5杂质引起的损失 i5 分子比为2.5，氧化铝为46，CaF2 为5的电解质中，在980情况下的研讨结果指出，大多数杂质都以单价态存在于电解质中，在含量很低的情况下，Mg、Ba 和B 对电流效率几乎无影响；SnO2也无影响；而多价态的杂质离子Fe、P、V、Si、Zn、Ti 和Ga 等随着它们在电解质中浓度的添加，电流效率呈直线降低。电解质中这些杂质的阳离子每添加0.01，电流效率降低0.10.7。P 离子是最为有害的，它以低价态到阳极氧化为高价态，转移到阴极后复原为低价态，反复的氧化复原，增大了电

8、流损失。大多数杂质离子引起电流效率降低也是由于在阴极和阳极/二氧化碳界面上的反复氧化-复原所呵斥的。 2.6阴极和阳极之间的瞬时短路 i6 这是操作不慎而发生的，在改换阳极或出铝时，误使阳极同铝液接触呵斥瞬时短路而引起的电流损失。2.7铝或钠浸透进预焙槽的内衬资料而引起的电流损失i7在预焙槽没有发生漏电的情况下，电流总损失 i 损为上述7 项之和，即 i 损= i1+ i2+ i3+ i4+ i5+i6+ i7第二节工业预焙槽上的电流效率问题 影响工业槽电流效率的要素：温度过与热度电解质组成预焙槽设计及预焙槽操作 2.1温度与过热度电流效率的影响 电解温度是影响电流效率的最重要要素，电解温度=

9、电解质的初晶温度或熔化温度+过热度，温度主要对铝的二次反响起作用，普通是温度降低，二次反响减少。经过对不同系列的工业预焙槽进展统计，得出的结论是：温度降低56，电流效率可提高1%。 温度作为动力学参数对电流效率产生如下影响：1、温度升高会添加铝在电解质熔体中的饱和浓度2、温度升高会提高铝电解质熔体中分散系数，这样会使铝经过阴极外表界面层分散传质速度的添加3、对于工业预焙槽来说，假设电解质温度高于正常值，那么会使槽帮结壳熔化，电解质分子比升高，氧化铝浓度和电解质程度上升，铝程度下降，阴极铝业面积添加，阴极平均电流密度降低，铝溶解损失添加温度的提高会降低电解槽的电流效率确定无疑，但温度提高对提高电

10、解质的导电性能，并使阴极炭块导电体的电阻降低，因此在一样槽压时，会使极距添加，这也有利于电流效率的提高。这意味着温度的降低不会永远使电解槽的电流效率提高，只是对于一个电解温度偏高，降低电解温度才会获得提高电流效率的良好效果。对于一个运转良好的电解槽来说，降低温度，很能够使电解槽处于过冷的形状，出现大量沉淀，槽膛不规整，氧化铝溶解速度低，效应系数添加，铝液面不稳定，铝损失添加。因此，对于一个给定的电解槽来说，应该选择一个最正确的电解温度。过热度与电流效率的关系是：过热度小，电流效率高，过热度添加10，电流效率降低1.21.5% ，由于过热度小，容易生成侧部炉帮，阴极铝液镜面的面积减少，因此可提高

11、电流效率。 其关系见图 1图12.2 电解质对电流效率的影响2.2.1 AlF3。现代预焙槽都采用低分子比电解质，NaF/AlF31.52.2。这种电解质最早是美国铝业公司所采用1955 年，但是，在40 年以后才公开。电解质的分子比与电流效率的关系见图2 图2 电流效率与分子比的函数关系高AlF3含量，即低分子比的电解质有艰苦缺陷(1) 减少了电解质的导电率；(2) 减小了氧化铝的溶解度；(3) 增大了电解质的挥发损失；(4) 增大了Al4C3的溶解度Al4C3对炭素阴极和内衬破坏很大；(5) 操作困难。2.2.2 LiF 美国雷诺公司是最早1965 年采用含LiF 的电解质的，而我国于19

12、70 年后才采用。LiF 对电流效率的正面影响是：(1) 降低电解质的初晶温度，添加1%的LiF，可降低9；(2) 提高电解质的导电率，因此可以增大极距。(3)使电解质熔体密度减低(4)提高阴极铝和电解质熔体之间的界面张力，降低率的溶解度使电解质(5)使铝在电解质熔体中的溶解度降低 工业实际阐明：(1) 老式预焙槽侧插或上插自焙槽采用含LiF 的电解质能有效地提高电流效率，但是，大型预焙槽的效果不一定好；(2) 大型预焙槽的电流效率曾经高达95%的，再用LiF 作用不明显；(3) 大型预焙槽曾经采用低分子比电解质，再用LiF 也没有作用，而且操作当中很难坚持LiF 含量和AlF3含量的稳定；(

13、4) 费用高，添加了本钱，且铝中含有少量的锂。采用MgF2和CaF2作为电解质添加剂在降低电解质的初晶温度方面具有正面影响 2.2.3 Al2O3 含量 电解质中氧化铝含量对电流效率的影响问题至今还没有一个完全清楚的结论。有证据证明， Al2O3含量对电流效率有正面的影响；但另外也有证据证明， Al2O3含量对电流效率没有影响，或者影响很小。总的倾向是： Al2O3对电流效率的影响比较小，主要的缘由是短时的电流效率数据比较难于测定准确，氧化铝含量对电流效率的影响未获得足够的实证。 2.2.4关于最正确电解质组成问题。目前，还不能找到一种普遍适用的电解质组成。各大公司，各大铝厂，甚至同铝厂的各个

14、车间都有适宜本人消费情况的电解质组成。普通是在常规的电解质组成根底上，按各厂的条件做假设干调整，许多铝厂对所用的电解质组成作为商业，不予公开。2.3. 预焙槽设计对电流密度的影响目前，比较确定的影响主要有以下几点：1) 减小预焙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，把侧部碳块放在接近阳极投影区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，因此有利于提高电流效率。为什么预焙槽的电流效率总要大于只需一个大阳极的自焙槽，主要缘由似也在此；3) 磁场及其补偿措施，根据不同的槽型而定，采取了磁场补偿之后可以减小铝液动摇和扰动的影响，减少了Al 的溶解，有利于提高电流

15、效率；4) 采用点式下料和先进的控制技术，能保证预焙槽在优化的情况下任务，有利于提高电流效率。2.4预焙槽操作对电流密度的影响 预焙槽的多种操作参数虽然能作出其各自对电流效率影响的评价，但各种参数的综协作用难于找出一致规律，须由各铝厂自行优化，这些操作参数是：电解质组成、铝液高度、电解质程度、效应次数丶极距的坚持等等。此外，预焙槽的启动、槽龄和阴极条件也有影响。第三节 电流效率的丈量 欲获得准确的电流效率数据，必需对产铝量能准确确实定，然而，准确及时地测定电流效率的方法至今依然还没有妥善地确立。现今，测定电流效率的方法有：CO2/CO 分析法，示踪原子法含控制电位库伦计法，氧平衡法含质谱仪法和

16、盘存法等。 3.1. CO2/CO 分析法 又称为皮尔逊瓦丁顿法 本方法的根据是二次反响后铝被CO2 所氧化，产生了CO，可按照测出的CO2/CO 比值求出瞬间的电流效率。1947 年为皮尔逊瓦丁顿Pearson-Waddington提出，其公式为：CE(%) = 50%+1/2CO2% 式中CO2%为CO和CO2体积的百分比。 此种方法丈量的误差有几个百分点，并且为瞬时电流效率。3.2 加Ag或Cu稀释法 此方法的根据是，往预焙槽的铝液中参与少量的金属Cu 或Ag，经一定时间后分析该元素在铝水中的相对含量即被稀释后的元素量，以确定该段时间内铝的增量，由此确定该时段内的电流效率。这类方法比较准

17、确，但要求参与的元素要与铝液混合均匀。我国釆用加Cu 稀释法较多。美国铝业公司曾经采用控制电位库仑计作为准确测定金属含量的工具，它是分析参与铝中的微量银Ag，通常往预焙槽铝液中参与Ag 的浓度为1100PPm，丈量的精度在0.4以内。用此方法在工业槽上进展的测定阐明，丈量槽每周的电流效率为950.1。此方法的缺陷是，需求精细仪器和分析时间较长。3.3示踪原子法 此方法的根据是，往预焙槽的铝液中参与放射性同位素Au198、Co60等，经一定时间后，分析该元素在铝液中的相对含量即被稀释后的元素量，以确定铝的增量。采用盖格计数器来测定放射性同位素被稀释的程度，由比确定铝的增量。采用放射性同位素，虽参与的金属数量很少，所得结果精度较高，但放射性的完全消逝需求时间，例如Au198，其半衰期为2.7 天，放射性完全消逝约需1 个月，许多厂家不情愿用。3.4 总氧量平衡法 Leroy 等采用质谱仪延续测定电流效率，他们在280kA 预焙槽上采用质谱仪延续分析烟气的组成，由此确定氧和碳的质量平衡，进而确定电流效率和炭耗。这个方法涉及到复杂的仪器，要采用质谱仪测定预焙槽气体的组成，仪器昂贵而且受磁场的影响。3.5盘存法 它是工业上最常用的方法，其根据是：预焙槽经过一定时间产出的铝，扣除槽内存有的铝，得出该时段内实践产出铝量，由此确定电流效率。其关键是必需准确测定槽内存铝量。这