第十二章铝电解生产中的电流效率

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/A·h。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=8.99385g/mol。法拉第电解第二定律表示为：k=1/F·m/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=96484.56C·mol-1=97484.56×1/3600A·h·mol-1=26.80127A·h·mol-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/A·h计算中常取四位有效数字，即0.3356g/A·h，但也有取0.3355g/A·h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=2.98A·h/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300kA的电解槽，一昼夜的理论产量为：M理=0.3356×300000×24×10--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=1MiKIt×10-3×100%（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200kA，系列中的某台铝电解槽9月份实出原铝44950kg，8月底测得槽内铝水9950kg，9月底测得槽内为10060kg。计算该电解槽9月份的平均电流效率。解：珔η=Mt-M0+∑ni=1MiKIt×10-3×100%=10060-9950+449500.3356×200000×24×30×10-3×100%=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=1Mi0.3356It×10-3×100%例如：某台300kA大型预焙电解槽，5月份共出铝71160.6kg，月平均电流强度为305000A，计算该槽的出铝电流效率。珔η=∑ni=1Mi/0.3356It×10-3×100%=71160.6/0.3356×305000×31×24×10-3×100%=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=K2·M0（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160kA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2kg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2kg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=M0·K2=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/KIt×10-3×100%=9205.02-7997.6/0.3356×160000×24×10-3×100%=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159.85kA，共加入纯度为98.5%的Al2O369305kg，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=0.3356×159850×24×30×10-3=38624.88（kg）Al2O3电流效率为：ηAl2O3=35923.68/38624.88×100%=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280kA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200000吨，推算理论产能应为210526吨，按该理论产量推算乙厂的实际产量应为183158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铝在冰晶石熔融体中的溶解度是很小的，一般在0.05%～0.10%之间，并且铝的溶解度随着熔体中Al2O3浓度的增加而降低，随着熔体温度的升高而增大，随着电解质摩尔比的降低而降低。但有人认为，随着摩尔比的降低，铝的溶解度出现一个极小值。持这种极小值观点的人认为，当冰晶石熔体摩尔比高时，铝与NaF强烈反应而溶解度增大；当摩尔比降低时，熔体中NaF浓度降低，而AlF3与铝的反应不强烈，但降到一定程度，铝与AlF3生成低价铝的反应却越来越强烈，故铝的溶解度又开始回升。2.铝的再氧化损失如上所述，铝的溶解有物理的，也有化学的，前者达到一定程度就会饱和，后者在一定条件下也会饱和，而且总的溶解度都不大。但是电解过程中熔体中存在有CO2和良好的传质条件，溶解的铝会不断地被氧化，进而造成铝的损失增大，成为影响电流效率的主要因素之一。在工业铝电解槽上，一般认为铝的溶解损失过程分为四个步骤：（1）金属铝在电解质界面上发生溶解反应；（2）溶解的铝从交界层扩散