淺析鋁電解電流效率的重要性及控制措施

龍昌紅 王紅波 史紹源 易吉龍

云南云鋁涌鑫鋁業(yè)有限公司 云南建水 650039

1 電流效率在鋁電解生產(chǎn)中的重要性

電流效率是指單位時(shí)間內(nèi)鋁電解產(chǎn)出鋁的質(zhì)量與按法拉第定律計(jì)算的理論產(chǎn)量之比，即：CE=W實(shí)/W理×100%。式中W理 =0．3356×IT=0．3356kg．KA-1．H-1．I 為 電 流 強(qiáng) 度，A；t為 時(shí)間，h；0．3356為鋁的電化當(dāng)量〔1〕。由此公式反推則有：W實(shí)=CE×W理×100%。在鋁電解生產(chǎn)中，一旦槽型確定（電流強(qiáng)度確定）情況下，電流效率的高低直接決定實(shí)際槽產(chǎn)量的多少[1]。

電流效率對(duì)原料消耗的影響：生產(chǎn)實(shí)踐表明，在同等投入情況下，電流效率越高，則產(chǎn)出的就越高，而同等投入下，產(chǎn)出的越多，則單位產(chǎn)品消耗就越低。下面以一實(shí)例對(duì)此加以說明：某公司400KA電解系列電流強(qiáng)度400KA，電解槽286臺(tái)，每年投入氧化鋁62．0萬噸，陽極炭塊15．5萬噸，氟化鋁5500噸，直流電41億度，則在不同電流效率情況下取得的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見下表：

表1 400KA電解槽不同電流效率下經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)照表

從上表看出，在同等投入條件下，隨電流效率增加，產(chǎn)量在增加，各種物料單耗在降低，噸鋁成本也就在降低。對(duì)一條400KA 286臺(tái)電解槽系列，電流效率每增加1%，產(chǎn)量增加0．34萬噸/年，氧化鋁消耗降低 20．7kg/t．Al，陽極炭塊消耗降低 5．2kg/t．Al，氟化鋁消耗降低 0．2kg/t．Al，直流電消耗降低 136kwh/t．Al。

2 鋁電解電流效率降低的原因

鋁電解槽電流效率降低的原因大致有：電解槽漏電、電流空耗、其它離子放電、鈉離子電解生成金屬鈉、鋁的溶解損失。在正常生產(chǎn)狀態(tài)下，鋁的溶解損失是電解槽電流效率損失的主要原因[2]。

2.1 電解槽漏電

鋁電解槽電流只有從陽極流經(jīng)電解質(zhì)熔體再流到陰極的電流才能使電解質(zhì)熔體的相關(guān)離子在兩極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成電解產(chǎn)物—鋁和二氧化碳。如果電解槽出現(xiàn)陰陽極間局部短路、電解槽對(duì)地漏電等，流經(jīng)電解質(zhì)熔體的電流就會(huì)減小，電解產(chǎn)物也就減少，從而降低電流效率。

2.2 電流空耗

2.2.1鋁離子分步放電

一般來說，溶解在冰晶石熔體中的氧化鋁是以鋁氟絡(luò)合離子的形勢(shì)存在的，由于鋁離子在陰極表面存在分步放電造成而電流空耗。

在上述分步電解反應(yīng)中，陰極表面部分生成的Al+，在尚未生成金屬鋁時(shí)，可能被陰極表面電解質(zhì)的流動(dòng)帶入到電解質(zhì)熔體內(nèi)部，并被陽極氣體氧化重新變成Al3+，由此而造成電流空耗。

2.2.2其它離子放電

主要指原料中某些雜質(zhì)粒子溶解到電解質(zhì)熔體中，在陰極表面放電。如：比鋁析出電位低的Ti4+、Si4+、P5+在陰極不完全放電生成低價(jià)離子

Ti4++e Ti3+Si4++2eSi2+

而這些低價(jià)離子被槽內(nèi)電解質(zhì)熔體流動(dòng)帶到陽極區(qū)，在陽極上又被氧化成高價(jià)離子

Ti3+-e Ti4+Si2+-2eSi4+

由此而引起電流空耗。

2.3 鈉離子電解生成金屬鈉

理論和實(shí)踐研究表明，在鋁電解生成過程中，陰極表面可以生成金屬鈉，有化學(xué)反應(yīng)的也有電化學(xué)反應(yīng)的。

NaF（液）+Al（液）=AlF3+Na 或 Na++e=Na

化學(xué)反應(yīng)也可以在電解質(zhì)熔體內(nèi)部進(jìn)行，生成的鈉一部分由鋁液滲到陰極炭塊內(nèi)襯中，一部分浮到電解質(zhì)液體的表面被氧化、燃燒，再有一部分就是溶解到電解質(zhì)熔體中，并被陽極氣體二氧化碳氧化[3]。

工業(yè)鋁電解過程中，Na+在陰極上的放電電位比Al3+在陰極上的放電電位高0．24V左右，隨電解質(zhì)溫度升高及分子比的提高，這個(gè)差值會(huì)降低，更易促進(jìn)Na+放電，從而致使鋁電解電流效率更低。

2.4 鋁的溶解損失

物理溶解損失即是陰極中的金屬鋁以原子態(tài)溶解到電解質(zhì)熔體中：Al（陰極）Al（電解質(zhì)熔體）；化學(xué)溶解損失 即是陰極金屬鋁與電解質(zhì)熔體組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成低價(jià)離子化合物或以金屬鋁的形式溶解到熔體中：2Al+=3Al++6F-或2Al+AlF3=3AlF

在陰極表面上，金屬鋁還會(huì)與NaF反應(yīng)生成金屬鈉或低價(jià)金屬鈉的氟化物

陽極質(zhì)量太差，槽內(nèi)碳渣過多時(shí)，槽膛內(nèi)聚結(jié)的碳渣使陽極和邊部炭塊形成短路時(shí)，或者電解槽的上下金屬結(jié)構(gòu)絕緣不好出現(xiàn)短路時(shí)，鋁的電化學(xué)溶解損失也可能出現(xiàn)：Al-3e Al+

3 鋁電解實(shí)際生產(chǎn)中電流效率的控制措施

3.1 使用合格的冶金級(jí)氧化鋁

氧化鋁的粒度對(duì)電流效率有較大影響。使用砂狀氧化鋁的企業(yè)，電流效率普遍偏高。主要原因是砂狀氧化鋁的溶解能力強(qiáng)，在相同電解溫度和電解質(zhì)成分的情況下，砂狀氧化鋁更容易熔入電解質(zhì)中，減少效應(yīng)的發(fā)生，減少爐底沉淀的產(chǎn)生，電解槽槽膛規(guī)整，電流效率較高。并且砂狀氧化鋁有較大的表面積，具有較高的活性，可有效吸附氟化物，形成穩(wěn)定的載氟氧化鋁，有利于保持電解質(zhì)中過剩氟化鋁量，電解生產(chǎn)穩(wěn)定，有利于電流效率的提高。

表2 400kA電解槽工藝優(yōu)化前后電流效率對(duì)照表

3.2 使用高質(zhì)量的預(yù)焙陽極

當(dāng)前國內(nèi)很多電解鋁企業(yè)陽極質(zhì)量較差，且嚴(yán)重影響了電解槽的電流效率。其主要原因有以下幾個(gè)方面：

（1）陽極電阻偏大。陽極電阻增大會(huì)增大陽極炭塊壓降，增加的壓降將以熱量的形式進(jìn)入電解質(zhì)中，最終導(dǎo)致電解溫度升高，降低電流效率。

（2）陽極抗氧化性能差，運(yùn)行過程中產(chǎn)生過多的碳渣。當(dāng)前很多企業(yè)陽極分析指標(biāo)中，常規(guī)五項(xiàng)指標(biāo)良好，但是二氧化碳?xì)堄嗦屎涂諝鈿堄嗦势?，陽極抗氧化性能差，因此會(huì)導(dǎo)致陽極運(yùn)行過程中氧化、掉渣嚴(yán)重。過多的碳渣富集到電解質(zhì)中，影響氧化鋁的溶解度和溶解速度，使電解槽沉淀增多，爐膛變差，嚴(yán)重時(shí)將造成陽極長(zhǎng)包，形成電流短路，引起電解槽槽溫升高、槽況不穩(wěn)定。過多的碳渣還會(huì)使側(cè)部爐幫過空，水平電流增加，引起電流空耗。以上不利影響均會(huì)引起電流效率的降低。

4 加強(qiáng)精細(xì)化操作管理

4.1 換極質(zhì)量的控制

換極時(shí)，陽極覆蓋料未清理干凈或收邊時(shí)未填好縫隙就添加極上料，均會(huì)產(chǎn)生大量物料進(jìn)入槽內(nèi)，形成過多爐底沉淀，惡化爐膛。換極時(shí)，大的塊料掉入槽內(nèi)未打撈干凈，會(huì)引起裝極后電解槽的電壓擺動(dòng)，或者新極安裝精度不夠（過高過低），均會(huì)嚴(yán)重影響電解槽陽極電流分布，降低電解槽穩(wěn)定性，造成電流效率降低。

4.2 電解溫度的控制

傳統(tǒng)理論認(rèn)為，電解溫度越低，電流效率越高。電解溫度每降低10℃，電流效率提高1% -2% 。但是，如果電解溫度過低，電流效率會(huì)出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)電解溫度低于930℃以后，隨著電解溫度的降低，氧化鋁溶解性能變差，爐底沉淀增多、爐底壓降升高、爐膛變差、電解槽穩(wěn)定性變差，因而電流效率出現(xiàn)降低的情況。

4.3 鋁水平的控制

鋁水平的提高有利于提高電解槽穩(wěn)定性，有利于電流效率的提高。但是過高的鋁液水平會(huì)增加電解槽側(cè)下部散熱，造成爐底沉淀、結(jié)殼，側(cè)部伸腿長(zhǎng)等不利因素。因此保持合理的鋁水平，是保持能量平衡獲得高電流效率的基礎(chǔ)，見表2。

5 結(jié)語

生產(chǎn)中要獲得較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，降低生產(chǎn)成本，提高電流效率至關(guān)重要，而要獲得較高的電流效率，就需要嚴(yán)把原料質(zhì)量關(guān)、根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際匹配好工藝參數(shù)、提高工藝操作的監(jiān)管。