电解铝-电流效率12-4-10.ppt

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1、第五章铝电解的电流效率重庆旗能电铝有限公司生产准备部王民第一节概述电流效率是铝电解生产最重要的技术经济指标之一，20多年来，对提高电流效率的研究，从理论到实践都有了很大的进展。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介绍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指标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理论产出量之比，即：CE=W实/W理×100%式中：W理=0.3356×I×t=0.3356kg·kA-1·h-1I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，阴极上还原物质析出的量与所通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，通过的电量相同，所析出或溶解出的不同物质的物质的量相同。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相同的电量通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，电极上发生化学反应的物质的质量和通过电解池的电

3、量成正比。可用下列公式定量表示：m=MQ/nF=MIt/nF式中m为电极上发生化学反应的物质的质量(kg)，M为反应物质的摩尔质量(kg·mol-1)，Q为电量(C)，F为法拉第常数(96485C·mol-1)，n为电极反应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：已知：1mol的铝为26.98154g，电解质熔体中的铝为Al3+，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现在的理论和实践证明电流效率（CE）很难

4、超过98%，其原因是不可避免有若干的电流损失。电流损失主要是两大方面，即铝的二次反应损失和钠的二次反应损失，共七个项目。2.1铝的二次反应损失i1这种损失是最主要的设为i1，其反应式为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钠的二次反应损失i2电解过程中钠析出消耗的电流，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)由于Na+离子是电解

5、质中传递电流的主要载体，它富集在阴极区的边界层，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，有的工厂通过铝中钠的含量或槽内靠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+由边界层向电解质中的扩散，减少了Na的氧化损失。因此，在边界层，Na+的浓度比较高，这种槽的电流效率将会很高，同时，边界层的Na+含量高，也表明铝液镜面很稳定，电流效率也会很高。2.3Al4C3的生成和氧化i3反应为：4Al(溶)+3C(固)=Al4C3(固)通常发生在与

6、铝液接触的阴极碳块上，也会发生在没有电解质炉帮保护的侧部碳块上。当槽内铝液水平降低时，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，其反应为：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原因之一2.4电子导电性i4电子导电性主要是由溶解的钠引起的。金属溶解在自身的熔盐中，容易形成“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1～2%左右。研究表明，降低

7、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4～6％，CaF2为5％的电解质中，在980℃情况下的研究结果指出，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增加，电流效率呈直线降低。电解质中这些杂质的阳离子每增加0.01％，电流效率降低0.1～0.7％。P离子是最为有害的，它以低价态到阳极氧化为高价