第十二章 铝电解生产中的电流效率.doc

第十二章 铝电解生产中的电流效率铝电解的电流效率和电耗是生产中两项重要技术经济指标它在一定程度上反映着铝电解生产的技术和管理水平如何提高铝电解的电流效率，降低电能消耗历来都是铝冶金工作者是非常关注的问题12.1 铝的电化当量及理论产量铝电解的电解质是冰晶石和氧化铝均匀的熔融体电解质导电并发生化学变化时，铝就会在阴极处析出析出的铝金属量跟通入电解质中直流电的电流强度和时间的关系，遵循法拉第电解两大定律法拉第电解第一定律指出：电解质导电时，在极板处析出的物质的质量 M 跟通电时间 t和电流强度 I成正比，或者说跟通过电解液的电量 q成正比，即：M =kIt （12 -1）式中 M———析出物质的理论质量，kg或 g；k———叫做电化当量，kg/c或 g/Ah物质的电化当量与物质的性质有关，即同一种物质的，电化当量是恒量，而不同种类的物质，电化当量的数值不同显然，如果知道了某物质的电化当量，例如铝的电化当量，又已知通电时间和电流强度，就可以根据式 12 -1，求出析出的物质（如铝）的质量问题的关键是怎样求得某物质的电化当量法拉第在大量实验事实的基础上，得出的法拉第电解第二定律指出：物质的电化当量跟它的化学当量成正比。

某种物质的化学当量是该物质的摩尔质量 m 跟它的化合价 n的比值，其单位为 kg/mol或 g/mol铝的摩尔质量 m 为 26.98154g/mol，铝的化合价 n =3，所以铝的化学当量 m /n =26.98154/3 =8.99385 g/mol法拉第电解第二定律表示为：k=1/Fm/n （12 -2）式中：F———法拉第恒量，对于任何物质都是相同的，实验测量的结果表明，F=96484.56C/mol式中 1/F 表示的是电化当量跟化学当量 m /n成正比关系的比例常数我们知道，如果某一截面导体所通的电流强度为 1安培，那么每秒钟所通过的电量应为 1 库仑（C），1 库仑电量等于 1 安培秒，即 1/3600 安培小时所以， F=96484.56Cmol-1=97484.561/3600Ahmol-1=26.80127Ahmol-1为此，根据公式（12 -2），求铝的电化当量应为：k=m/Fn=8.99385/26.80127=0.3356g/Ah计算中常取四位有效数字，即 0.3356g/Ah，但也有取 0.3355g/Ah计算的 有时为了表示铝电解单位产量所需电量，电化当量也可表示为：k′=1/0.3356 =2.98Ah/g这样一来，按照法拉第电解第一定律，就可以方便地计算出一定时间通入一定强度的电流，在理论上获得的铝的物质量。

例：电流强度为 300 kA 的电解槽，一昼夜的理论产量为：M理=0.3356 24 10--3=2416.32（kg）12.2 铝电解的电流效率如上所述，理论上铝电解生产的产铝量取决于电流强度和通电时间，但是实际生产上是得不到这个理论数值，也就是说，存在一个电流产出效率的高低，愈接近理论产量，电流产出效率（简称电流效率）的数值就愈大因此，电流效率就是理论产量与实际产量之比η =实际产量 M实/理论产量 M理100% （12 -3）式中 η———电流效率% 式（12 -3）是在实际应用中，通常定义的铝电解的电流效率铝的电流效率是输入一定的电量后，铝的实际产量与理论产量之比M实 与 M理 必须是同一时期的产量，如果 M实 及 M理 为一天的产量，则 η 为某一天的效率；如果为一月的产量，则 η 为某一月的效率在计算实际电流效率时，必须考虑到电解槽在产铝量要保持不变，否则计算出的电流效率是一个虚假效率但在实际的生产过程中，为了生产的需要，电解槽内必须保留一定量的在产铝（M0）为此，生产中电解槽电流效率通常采取以下办法进行测定12.2.1 盘存法盘存法简单易行，其重点是要精确求得每次的出铝量，并测得开始出铝前的槽内存铝量和测得出铝结束时的槽内剩余铝量。

所以在该时期内铝的产量为：M实=Mt-M0+∑ni=1Mi式中 M0———出铝前槽中在产铝量；Mt———出铝后槽中在产铝量；Mi———该周期内出铝量总和该时期内平均电流效率为：珔η =Mt-M0+∑ni=1MiKIt10-3100% （12 -4）式中：珔η———一定时间周期内的平均电流效率例如：某铝业公司 9月份（30 天）系列电流强度为 200 kA，系列中的某台铝电解槽 9月份实出原铝 44950 kg，8月底测得槽内铝水 9950 kg，9月底测得槽内为 10060 kg计算该电解槽 9月份的平均电流效率解：珔η =Mt-M0+∑ni=1MiKIt10-3100%=10060 -9950 +.3356 24 30 10-3100%=93.24%按照盘存法的要求，关键是要精确计算周期前槽内在产铝量 M0 和计算周期末槽内在产铝量 Mt，并合计周期内的实际出铝量∑ni=1Mi一般生产中常常用测量槽膛铝水平的经验方法计算在产铝量，由于槽膛不规则等原因，准确性较差但在精确度要求不十分高的情况下，由于该法简单易行而常被采用甚至在有些情况下为取得电流效率参考值，在计算出铝电流效率时，还常常假设 Mt-M0=0，将式（12 -7）简化为：珔η =∑ni=1Mi0.3356 It10-3100%例如：某台 300 kA 大型预焙电解槽，5月份共出铝 71 160.6 kg，月平均电流强度为 305 000 A，计算该槽的出铝电流效率。

珔η =∑ni=1Mi/0.3356 It10-3100%=71160.6/0.3356 31 24 10-3100%=93.44%12.2.2 示踪元素法铝电解采用稀释法的目的，在于精确求得槽内铝量其基本原理是往槽中铝液内添加少量示踪元素，待示踪元素均匀溶解后，取样分析铝中该元素的含量，然后计算出槽内铝量稀释法所采用的示踪元素必须满足以下要求：（1）它能溶解于铝液中，但完全不溶解于电解质中；（2）它的蒸气压力很小，溶解后不蒸发损失；（3）纯度要高目前，能作为示踪元素的有铜、银和放射性同位素（如金 198，钴 60）等，工业上一般用铜作为示踪元素设 M1 为槽内铝液中原有的铜量（即本底铜量）；M2 为加入铝液中的铜元素量；K1 为槽内铝液中本底铜百分比含量（% ）；K2 为加入铜后槽内铝液（M0）中的铜浓度（% ）根据铜量平衡应有：M1+M2=K2M0 （12 -5）∵ M1=K1（M0-M2），代入式（12 -5），∴ M0=2（1 -K1）/K2-K1 （12 -6）利用式（12 -6）可以分别求得本底铝量和一定时期出铝后的槽内铝量，然后代入式（12 -4）即可较为精确地求出平均电流效率（珔η）。

例如：某槽电流强度为 160 kA 的预焙电解槽，为了准确把握该槽的槽况，需要采用稀释法准确求出该电解槽的电流效率在该电解槽刚刚出铝时，测得槽内铝液中的铜浓度为 0.03% ，出铝后立即加入 2 kg铜并充分溶解，测得铜的浓度为 0.055% 第二天的同一时刻（24小时后）出铝时，测得该槽槽内铜的浓度为 0.0478% ，试计算该电解槽的实际电流效率解 第一次出铝后加入 2 kg铜时，槽内铝水量和铜含量分别是：M0=M2（1 -K1）/K2-K1=2 （ 1 -0.03% ）/0.0% 5% -0.03%=7997.6（kg）M3=M0K2=7997.6 0.055% =4.4（kg）第二天同一时刻出铝时，槽内铝水量为：M ′0=M3/K3=4.4/0.0478%=9205.02（kg）珔η =M ′0-M0/KIt10-3100%=9205.02 -7997.6/0.3356 24 10-3100% =93.69%此外，生产中还可以通过电解槽消耗氧化铝的多少估算电流效率，这种电流效率称为“氧化铝消耗电流效率”例如：某大型预焙铝电解槽，4 月份（30 天）平均电流强度为 159.85 kA，共加入纯度为 98.5% 的 Al2O kg，其中捞炭渣、飞扬等损失共约 0.6% ，计算该槽的 Al2O3 电流效率（ηAl2O3）。

解 加入槽内不含捞炭渣、飞扬损失的铝的金属量为： MAl=69305 （1 -0.6% ）98.5% 54/102=35923.68（kg）该槽 4月份理论产量为：M理=0.3356 24 30 10-3=38624.88（kg）Al2O3 电流效率为：ηAl2O3=35923.68/38624.88100% =93.01%如果该槽的实际电流效率接近或等于氧化铝电流效率，说明该槽运行正常、平稳、高效如果大于氧化铝电流效率较多，说明该槽趋热、物料不足如果小于氧化铝电流效率，说明该槽趋冷、物料过剩目前，我国铝工业电解槽的电流效率一般为 87% ～ 95% 例如，甲、乙两个工厂理论产能相同，甲厂为 280 kA 中间下料大型预焙铝电解槽，电流效率高达 95% ；乙厂为 60kA 自焙铝电解槽，电流效率仅为 87% 甲厂年产原铝吨，推算理论产能应为 吨，按该理论产量推算乙厂的实际产量应为 吨，仅因电流效率低这一项，与甲厂相比，乙厂每年损失铝产量16842吨，损失率高达 9.2% 这是一个相当惊人的数字这一事实说明了采用中间下料大型预焙铝电解槽这一先进的生产工艺技术，对于提高铝电解生产的电流效率是极其重要的。

12.2.3 阳极气体分析法研究表明，铝电解生产中铝损失的主要途径是铝的二次反应，即溶解铝与二氧化碳的反应（参见 12.3.1）因此，阳极中 CO2 的浓度与电解槽的电流效率有着密切的关系，这种关系为气体分析法求电流效率奠定了基础采用阳极气体分析方法计算电流效率，其操作简单，已被一些工厂在生产中所用通过测定阳极气体中 CO2 的含量，来计算电流效应，大多是一些经验公式，其形式与研究的实验方法有关，现在国内所广泛采用的经验式为：珔η =1/2［CO2% ］+K式中：K———校正系数，K =3.5% 采用该法在收集阳极气体时，会有空气漏入，其结果会有点误差，其适用范围 60% ～ 95% 因此，在计算 CO2% 时，应扣除 O2 和其他剩余气体的百分数，故应计算 CO2 在 CO2+CO 中的百分数，即：CO2% =［CO2% ］/［CO2% +（CO% ）］100%12.3 电流效率降低的主要原因铝电解生产中，总有一部分电流被损失掉，使效率下降研究表明，电解过程中电流效率降低的原因主要有铝的溶解和再氧化损失；铝离子及其他一些高价离子的不完全放电，造成电流空耗；钠离子放电；机械损失及其他损失。

12.3.1 铝的溶解和再氧化损失1.铝的溶解铝的溶解有物理溶解和化学溶解两种形式例如当把一块铝加到清澈透明的冰晶石熔体中时，立即可发现雾状的液流从铝块上散发出来，形成金属雾铝电解过程中，在处于高温状态下的阴极铝液和电解质的接触面上，必然也会有析出的铝溶解到电解质中，形成物理溶解化学溶解是溶解的铝与熔体中的某些成分进行反应，以离子的形式重新进入熔体其中，生成低价铝离子是化学溶解的主要形式，如：2Al+AlF3=3AlF或2Al+Al3 +=3Al+2Al+Na3AlF6=3AlF +3NaF 或 2Al+AlF3 -6=3Al++6F-其次，铝可能与 NaF作用置换出金属钠，其反应为：Al+6NaF→Na3AlF6+3Na铝在冰晶石。