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        影響電解鋁電流效率的因素及影響程度分析

        2012-10-17 16:58:22
        科技傳播 2012年3期
        關(guān)鍵詞:電流效率電解電解質(zhì)

        王 帆

        商電鋁業(yè)集團(tuán),河南商丘 476000

        0 引言

        所謂電流效率就是在電解過程中實際的鋁產(chǎn)量與同樣條件下(電流強度和時間相同)鋁的理論產(chǎn)量之比的百分?jǐn)?shù),一定的生產(chǎn)條件下,電流效率的高低取決于實際鋁產(chǎn)量。電流效率是電解鋁生產(chǎn)過程中一項非常重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),電流效率的高低與鋁電解生產(chǎn)的各種工藝參數(shù)關(guān)系重大,它在一定程度上反映著電解鋁生產(chǎn)的技術(shù)水平。因為在電解過程中,一方面金屬鋁在陰極析出,另一方面又以各種原因損失掉,所以電流效率總是不能達(dá)到100%,即實際產(chǎn)量總是比理論產(chǎn)量低。目前國內(nèi)先進(jìn)鋁電解技術(shù)的電流效率一般可達(dá)92%~94%。因此加強電解工藝研究,是提高電流效率和經(jīng)濟(jì)效益的根本途徑。

        1 鋁電解過程的機理

        自1886年以來,美國霍爾和法國埃魯特發(fā)明的“冰晶石—氧化鋁熔鹽電解法”,就一直成為現(xiàn)代鋁冶煉工業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。電解鋁的實質(zhì):在通有高電流的電解槽中使熔融的電解質(zhì)(NaAlF6-Al2O3熔體)在兩極上發(fā)生氧化還原反應(yīng),其基本反應(yīng)方程式為:

        陰極反應(yīng):Al3++3e=Al

        陽極反應(yīng):2O2-+C-4e=CO2

        但是,在近1000℃電解溫度下,NaAlF6—Al2O3熔體主要由Na+、、AlF4、F-及等離子構(gòu)成 ,這些不同的離子在不同的生產(chǎn)條件下有不同的反應(yīng)機理,使得電解工程十分復(fù)雜,至今還有不少爭議,但不管何種機理,整個反應(yīng)過程,都是消耗了Al2O3和C,總的反應(yīng)方程式依然為:

        2Al2O3+3C=4Al+3CO2

        也正是因為電解質(zhì)溶體中各種離子在電解過程中繁雜的電化學(xué)反應(yīng),直接影響了電解鋁的電流效率,對電解機理的不斷研究,也是為了尋求更加合理的電解工藝。

        2 影響電流效率的主要因素及影響程度

        2.1 主要因素

        電解工程中,導(dǎo)致鋁損失的因素主要有:1)鋁的溶解和再氧化損;2)鋁的不完全放電;3)其它離子放電;4)水的電解。除了機械損失外,鋁的損失均與電解條件密切相關(guān),如電解溫度、電解質(zhì)的組成、極距、電流密度及鋁液的高度等。

        2.1.1 電解溫度對電流效率的影響

        電解生產(chǎn)中直流電除了流過回路的電阻造成的電能損失外,部分補充電解生產(chǎn)中的熱損失,其余部分才是使熔體中離子產(chǎn)生還原反應(yīng)做有用功,即發(fā)生如下的氧化還原反應(yīng):+3e=Al+ 4F-

        實際上在上述氧化還原進(jìn)行的同時,在同樣的電解條件下,同時進(jìn)行著如下的反應(yīng):

        這些反應(yīng)引起電流做無用功,降低了電流效率,而在高溫的情況下,這些反應(yīng)加劇,故高溫不利于電流效率的提高,另一方面,高溫的情況下,電解出來的原鋁又容易再次溶解進(jìn)入電解質(zhì),然后發(fā)生二次氧化反應(yīng),即2Al+3CO2= Al2O3+ 3CO,電解出來的原鋁向反方向進(jìn)行氧化反應(yīng),引起電流效率的降低,溫度越高二次反應(yīng)越劇烈,下表為我廠工作狀況比較穩(wěn)定而槽溫不同的六臺電解槽,一個月內(nèi)測量的槽溫和實際電流效率的平均值,也證明了電解溫度和電流效率之間的趨勢關(guān)系。

        2.1.2 分子比對電流效率的影響

        降低分子比可以降低電解質(zhì)的初晶溫度,在電解槽溫度不變的情況下,初晶溫度的降低,相當(dāng)于增加了反應(yīng)的過熱度,從而有利于正向氧化還原反應(yīng)的順利進(jìn)行;隨著分子比的降低,電解質(zhì)的密度也相應(yīng)降低,拉大了電解質(zhì)和鋁液的密度差,也有利于鋁液從電解質(zhì)中的分離,縮短了鋁和NaAlF6-Al2O3熔體接觸的時間,減少了二次逆向反應(yīng)發(fā)生的幾率,但過低的分子比會使電解質(zhì)的黏度增加,不利于雜質(zhì)的分離及Al2O3的溶解,降低了電解質(zhì)的電導(dǎo)率,容易產(chǎn)生沉淀,影響電解生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

        2.1.3 鋁水平對電流效率的影響

        鋁水平和分子比的合理搭配,是保持電解槽熱平衡的重要環(huán)節(jié),較高的鋁水平可以穩(wěn)定磁場,填平槽底部高洼不平之處,使電流比較均勻的通過槽底,減少水平電流,降低了針振和電壓擺發(fā)生的幾率和幅度,并可以減少對陰極的侵蝕。因為鋁是一種熱的良導(dǎo)體,合理的鋁水平既能保證電解槽底部熱量的均衡分布,又能保證陽極底部的熱量及時的散發(fā)出去,有利于調(diào)節(jié)降低槽溫,減少二次反應(yīng),從而有利于提高電流效率。

        2.1.4 極距對電流效率的影響

        極距是指陽極底掌與鋁液鏡面之間的距離,極距較小時,使得溶解鋁擴散到氧化區(qū)的距離短,有時陽極氣體直接地將鋁液面上的鋁氧化。極距增大后,熔體的對流攪拌作用減弱,擴散層厚度增加,鋁損失減少。但是當(dāng)極距超過一定程度后,壓降將明顯升高,此時電能消耗大大提高,故通過提高極距來提高電流效率是有限的。

        2.2 主要因素的影響程度分析

        根據(jù)電解機理,各種條件對電解工程的影響不是孤立的,筆者僅就電解溫度、分子比、鋁水平對電流的影響做如下分析,根據(jù)以往的經(jīng)驗,對電解效率的影響可用伯奇—格洛泰姆方程[1]表述:

        式中:t為電解質(zhì)溫度(℃);

        x為電解質(zhì)中過剩的AlF3量(%量);

        h為鋁水平,單位cm;

        A為槽齡,單位月。

        從上式可知,影響電流效率的主要因素為:電解溫度、電解質(zhì)的組成及鋁水平等技術(shù)條件。

        現(xiàn)以我廠200kA系列為例,分析上述參數(shù)對電流效率的影響程度。

        表1 正常生產(chǎn)時的技術(shù)條件

        公式(1)為多元方程,在分析單一因素對電流效率的影響程度時,首先要假定其它變量為一個恒定的值,如正常生產(chǎn)條件下為:

        當(dāng)任一條件發(fā)生變化以后的關(guān)系式為:

        可知當(dāng)任一條件的變化后,電流效率的變化值為

        2.2.1 電解質(zhì)溫度波動對電流效率的影響程度

        2.2.2 分子比波動對電流效率的影響程度

        分子比K與電解質(zhì)中過剩的AlF3量(XAlF3)之間的關(guān)系[2]可用公式(2)表述:

        式中Σa——Al2O3和CaF2的百分含量,%;

        根據(jù)我廠200KA系列的生產(chǎn)實踐,Al2O3和CaF2在電解質(zhì)中的百分含量應(yīng)該為7.5%左右,即取Σa=7.5,則:分子比K1=2×1.29=2.58,K2=2×1.24=2.48

        根據(jù)公式(2)可得:

        則 Δη(%)=0.59(X2LF3- X1ALF3)=0.59×(7.16-5.66)=0.885(%)

        2.2.3 鋁水平波動對電流效率的影響程度

        設(shè)h2-h1=19cm-17cm=2cm t1=t2X2=X1

        則 Δη(%)=58.9[Sin(3h2)- Sin(3h1)]=58.9(Sin57-Sin51)=3.63%

        綜上所述,電解溫度每降低10℃,可提高電流效率1.39%;電解質(zhì)的分子比降低0.10,可提高電流效率0.89%;鋁水平升高2cm,可提高電流效率3.63%。但是電解過程是個復(fù)雜多變的電化學(xué)反應(yīng)過程,各種生產(chǎn)作業(yè)條件是相互影響、綜合作用的,這些因素對電流效率的影響程度也不可能作簡單的累加,上述計算分析,其目的是為了探詢技術(shù)條件變化對電解過程的影響程度,以便于指導(dǎo)生產(chǎn),確定合理的過程控制參數(shù)。

        4 結(jié)論

        電解過程反應(yīng)機理復(fù)雜,影響因素很多,參照上述分析,同時結(jié)合我廠生產(chǎn)的實際經(jīng)驗,筆者認(rèn)為,在保持較高電流密度、低氧化鋁濃度、適中的電解溫度及適當(dāng)偏高的鋁水平的條件下,可以有效的提高電流效率。

        實際生產(chǎn)中,除了保持較高電流密度、低氧化鋁濃度、適中的電解溫度及適當(dāng)偏高的鋁水平外,從反應(yīng)動力學(xué)的理論可知,只要有效的減緩反應(yīng)的控制過程,就能減少二次反應(yīng),從而提高電流效率,這是研究提高電流效率的基本方向,這就要求我們在日常的生產(chǎn)中,要加強過程控制,提高操作水平,尋求最佳的電解參數(shù),從而有效降低單位產(chǎn)量的能耗,提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品競爭力。

        [1]楊重愚主編.輕金屬冶金學(xué)[M].冶金工業(yè)大學(xué)出版社,1998.

        [2]邱竹賢主編.鋁電解[M].冶金工業(yè)出版社,1998.

        [3]馮乃祥.鋁電解工藝[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

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