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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 = 0.3356It= 0.3356 kgkA-1h-1 I 为电流强度，A； t 为时间，小时； 0.3356
2、为Al 的电化当量。,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
3、通过电解池的电量成正比。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(kgmol-1)，Q为电量(C)， F为法拉第常数(96485Cmol-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Al 3+，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
4、（CE）很难超过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CO,2.2 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(
5、溶) + Al2O3 + 3CO(气) 由于Na+离子是电解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。,2.3 Al4C3的生成和氧化 i3,反应为
6、：4Al(溶) + 3C(固) = Al4C3(固) 通常发生在与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
7、。电子导电性形同短路，这样引起的电流损失估计在12%左右。研究表明，降低温度，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46，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0.10.7。P 离子是最为有害的，它以低价态到阳极氧化为高价态，
8、转移到阴极后还原为低价态，反复的氧化还原，增大了电流损失。大多数杂质离子引起电流效率降低也是由于在阴极和阳极/二氧化碳界面上的反复氧化-还原所造成的。,2.6阴极和阳极之间的瞬时短路 i6 这是操作不慎而发生的，在更换阳极或出铝时，误使阳极同铝液接触造成瞬时短路而引起的电流损失。2.7铝或钠渗透进预焙槽的内衬材料而引起的电流损失i7在预焙槽没有发生漏电的情况下，电流总损失（ i 损）为上述7 项之和，即 i 损= i1+ i2+ i3+ i4+ i5+i6+ i7,第二节工业预焙槽上的电流效率问题,影响工业槽电流效率的因素：温度过与热度电解质组成预焙槽设计及预焙槽操作,2.1温度与过热度电流效
9、率的影响,电解温度是影响电流效率的最重要因素，电解温度=电解质的初晶温度（或熔化温度）+过热度，温度主要对铝的二次反应起作用，一般是温度降低，二次反应减少。通过对不同系列的工业预焙槽进行统计，得出的结论是：温度降低56，电流效率可提高1%。,温度作为动力学参数对电流效率产生如下影响：1、温度升高会增加铝在电解质熔体中的饱和浓度2、温度升高会提高铝电解质熔体中扩散系数，这样会使铝通过阴极表面界面层扩散传质速度的增加3、对于工业预焙槽来说，如果电解质温度高于正常值，则会使槽帮结壳熔化，电解质分子比升高，氧化铝浓度和电解质水平上升，铝水平下降，阴极铝业面积增加，阴极平均电流密度降低，铝溶解损失增加,
10、温度的提高会降低电解槽的电流效率确定无疑，但温度提高对提高电解质的导电性能，并使阴极炭块导电体的电阻降低，因此在相同槽压时，会使极距增加，这也有利于电流效率的提高。这意味着温度的降低不会永远使电解槽的电流效率提高，只是对于一个电解温度偏高，降低电解温度才会取得提高电流效率的良好效果。对于一个运行良好的电解槽来说，降低温度，很可能使电解槽处于过冷的状态，出现大量沉淀，槽膛不规整，氧化铝溶解速度低，效应系数增加，铝液面不稳定，铝损失增加。因此，对于一个给定的电解槽来说，应该选择一个最佳的电解温度。,过热度与电流效率的关系是：过热度小，电流效率高，过热度增加10，电流效率降低1.21.5% ，因为过
11、热度小，容易生成侧部炉帮，阴极铝液镜面的面积缩小，因而可提高电流效率。 其关系见图 1,图1,2.2 电解质对电流效率的影响,2.2.1 AlF3。现代预焙槽都采用低分子比电解质，NaF/AlF31.52.2。这种电解质最早是美国铝业公司所采用（1955 年），但是，在40 年以后才公开。电解质的分子比与电流效率的关系见图2,图2 电流效率与分子比的函数关系,高AlF3含量，即低分子比的电解质有重大缺点(1) 减少了电解质的导电率；(2) 减小了氧化铝的溶解度；(3) 增大了电解质的挥发损失；(4) 增大了Al4C3的溶解度（Al4C3对炭素阴极和内衬破坏很大）；(5) 操作困难。,2.2.2
12、 LiF 美国雷诺公司是最早（1965 年）采用含LiF 的电解质的，而我国于1970 年后才采用。LiF 对电流效率的正面影响是：(1) 降低电解质的初晶温度，添加1%的LiF，可降低9；(2) 提高电解质的导电率，因而可以增大极距。(3)使电解质熔体密度减低(4)提高阴极铝和电解质熔体之间的界面张力，降低率的溶解度使电解质(5)使铝在电解质熔体中的溶解度降低 工业实践表明：(1) 老式预焙槽（侧插或上插自焙槽）采用含LiF 的电解质能有效地提高电流效率，但是，大型预焙槽的效果不一定好；(2) 大型预焙槽的电流效率已经高达95%的，再用LiF 作用不明显；(3) 大型预焙槽已经采用低分子比电
13、解质，再用LiF 也没有作用，而且操作当中很难保持LiF 含量和AlF3含量的稳定；(4) 费用高，增加了成本，且铝中含有少量的锂。采用MgF2和CaF2作为电解质添加剂在降低电解质的初晶温度方面具有正面影响,2.2.3 Al2O3 含量 电解质中氧化铝含量对电流效率的影响问题至今还没有一个完全清楚的结论。有证据证明， Al2O3含量对电流效率有正面的影响；但另外也有证据证明， Al2O3含量对电流效率没有影响，或者影响很小。总的倾向是： Al2O3对电流效率的影响比较小，主要的原因是短时的电流效率数据比较难于测定准确，氧化铝含量对电流效率的影响未获得足够的实证。,2.2.4关于最佳电解质组成
14、问题。目前，还不能找到一种普遍适用的电解质组成。各大公司，各大铝厂，甚至同铝厂的各个车间都有适合自己生产情况的电解质组成。一般是在常规的电解质组成基础上，按各厂的条件做若干调整，许多铝厂对所用的电解质组成作为商业秘密，不予公开。,2.3. 预焙槽设计对电流密度的影响,目前，比较确定的影响主要有以下几点：1) 减小预焙槽的大面有利于提高阴极电流密度从而提高电流效率。设计中，把侧部碳块放在靠近阳极投影区的阴极部位效果比较好；2) 小阳极替代大阳极有利于阳极气体的排放，因而有利于提高电流效率。为什么预焙槽的电流效率总要大于只有一个大阳极的自焙槽，主要原因似也在此；3) 磁场及其补偿措施，根据不同的槽
15、型而定，采取了磁场补偿之后可以减小铝液波动和扰动的影响，减少了Al 的溶解，有利于提高电流效率；4) 采用点式下料和先进的控制技术，能保证预焙槽在优化的情况下工作，有利于提高电流效率。,2.4预焙槽操作对电流密度的影响,预焙槽的多种操作参数虽然能作出其各自对电流效率影响的评估，但各种参数的综合作用难于找出统一规律，须由各铝厂自行优化，这些操作参数是：电解质组成、铝液高度、电解质水平、效应次数丶极距的保持等等。此外，预焙槽的启动、槽龄和阴极条件也有影响。,第三节 电流效率的测量,欲获得准确的电流效率数据，必须对产铝量能精确的确定，然而，准确及时地测定电流效率的方法至今仍然还没有妥善地确立。现今，
16、测定电流效率的方法有：CO2/CO 分析法，示踪原子法（含控制电位库伦计法），氧平衡法（含质谱仪法）和盘存法等。,3.1. CO2/CO 分析法 又称为皮尔逊瓦丁顿法,本方法的依据是二次反应后铝被CO2 所氧化，产生了CO，可按照测出的CO2/CO 比值求出瞬间的电流效率。1947 年为皮尔逊瓦丁顿（Pearson-Waddington）提出，其公式为：CE(%) = 50%+1/2CO2% 式中CO2%为CO和CO2体积的百分比。 此种方法测量的误差有几个百分点，并且为瞬时电流效率。,3.2 加Ag（或Cu）稀释法,此方法的依据是，往预焙槽的铝液中加入少量的金属Cu 或Ag，经一定时间后分析
17、该元素在铝水中的相对含量（即被稀释后的元素量），以确定该段时间内铝的增量，由此确定该时段内的电流效率。这类方法比较准确，但要求加入的元素要与铝液混合均匀。我国釆用加Cu 稀释法较多。美国铝业公司曾经采用控制电位库仑计作为精确测定金属含量的工具，它是分析加入铝中的微量银（Ag），通常往预焙槽铝液中加入Ag 的浓度为1100PPm，测量的精度在0.4以内。用此方法在工业槽上进行的测定表明，测量槽每周的电流效率为950.1。此方法的缺点是，需要精密仪器和分析时间较长。,3.3示踪原子法,此方法的依据是，往预焙槽的铝液中加入放射性同位素Au198、Co60等，经一定时间后，分析该元素在铝液中的相对含量
18、（即被稀释后的元素量），以确定铝的增量。采用盖格计数器来测定放射性同位素被稀释的程度，由比确定铝的增量。采用放射性同位素，虽加入的金属数量很少，所得结果精度较高，但放射性的完全消失需要时间，例如Au198，其半衰期为2.7 天，放射性完全消失约需1 个月，许多厂家不愿意用。,3.4 总氧量平衡法,Leroy 等采用质谱仪连续测定电流效率，他们在280kA 预焙槽上采用质谱仪连续分析烟气的组成，由此确定氧和碳的质量平衡，进而确定电流效率和炭耗。这个方法涉及到复杂的仪器，要采用质谱仪测定预焙槽气体的组成，仪器昂贵而且受磁场的影响。,3.5盘存法,它是工业上最常用的方法，其依据是：预焙槽经过一定时间
19、产出的铝，扣除槽内存有的铝，得出该时段内实际产出铝量，由此确定电流效率。其关键是必须准确测定槽内存铝量。这个方法通过较长时期的生产（例如3个月或半年），而后进行槽内存留铝量的盘存而获得电流效率的数据是颇为准确的。因为较长时期的生产以后，所得的产铝量很大，即使槽内存铝量的测定不很准确，也对结果的影响不大。若以年平均的电流效率计算，其误差在1%左右。因此，工业上以年平均电流效率数值是比较可信的。,综上所述，对于工业上铝预焙槽的实际操作来说，采用较低的分子比，较低氧化铝浓度，较低的电解温度，低的效应系数，良好的点式下料和自动控制，维持铝液面稳定，减少对其扰动，保持炉帮与伸腿完整，防止换阳极时的短路，
20、因厂、因槽制宜地选择好工艺技术条件，可望获得较高的电流效率。,总结,谢谢大家,1、不是井里没有水，而是你挖的不够深。不是成功来得慢，而是你努力的不够多。2、孤单一人的时间使自己变得优秀，给来的人一个惊喜，也给自己一个好的交代。3、命运给你一个比别人低的起点是想告诉你，让你用你的一生去奋斗出一个绝地反击的故事，所以有什么理由不努力!4、心中没有过分的贪求，自然苦就少。口里不说多余的话，自然祸就少。腹内的食物能减少，自然病就少。思绪中没有过分欲，自然忧就少。大悲是无泪的，同样大悟无言。缘来尽量要惜，缘尽就放。人生本来就空，对人家笑笑，对自己笑笑，笑着看天下，看日出日落，花谢花开，岂不自在，哪里来的
21、尘埃!25、你不能拼爹的时候，你就只能去拼命！26、如果人生的旅程上没有障碍，人还有什么可做的呢。27、我们无法选择自己的出身，可是我们的未来是自己去改变的。励志名言：比别人多一点执着，你就会创造奇迹28、伟人之所以伟大，是因为他与别人共处逆境时，别人失去了信心，他却下决心实现自己的目标。29、人生就像一道漫长的阶梯，任何人也无法逆向而行，只能在急促而繁忙的进程中，偶尔转过头来，回望自己留下的蹒跚脚印。30、时间，带不走真正的朋友；岁月，留不住虚幻的拥有。时光转换，体会到缘分善变；平淡无语，感受了人情冷暖。有心的人，不管你在与不在，都会惦念；无心的情，无论你好与不好，只是漠然。走过一段路，总能
22、有一次领悟；经历一些事，才能看清一些人。31、我们无法选择自己的出身，可是我们的未来是自己去改变的。32、命好不如习惯好。养成好习惯，一辈子受用不尽。33、比别人多一点执着，你就会创造奇迹。50、想像力比知识更重要。不是无知，而是对无知的无知，才是知的死亡。51、对于最有能力的领航人风浪总是格外的汹涌。52、思想如钻子，必须集中在一点钻下去才有力量。53、年少时，梦想在心中激扬迸进，势不可挡，只是我们还没学会去战斗。经过一番努力，我们终于学会了战斗，却已没有了拼搏的勇气。因此，我们转向自身，攻击自己，成为自己最大的敌人。54、最伟大的思想和行动往往需要最微不足道的开始。55、不积小流无以成江海
23、，不积跬步无以至千里。56、远大抱负始于高中，辉煌人生起于今日。57、理想的路总是为有信心的人预备着。58、抱最大的希望，为最大的努力，做最坏的打算。59、世上除了生死，都是小事。从今天开始，每天微笑吧。60、一勤天下无难事，一懒天下皆难事。61、在清醒中孤独，总好过于在喧嚣人群中寂寞。62、心里的感觉总会是这样，你越期待的会越行越远，你越在乎的对你的伤害越大。63、彩虹风雨后，成功细节中。64、有些事你是绕不过去的，你现在逃避，你以后就会话十倍的精力去面对。65、只要有信心，就能在信念中行走。66、每天告诉自己一次，我真的很不错。67、心中有理想 再累也快乐68、发光并非太阳的专利，你也可以
24、发光。69、任何山都可以移动，只要把沙土一卡车一卡车运走即可。70、当你的希望一个个落空，你也要坚定，要沉着！71、生命太过短暂，今天放弃了明天不一定能得到。72、只要路是对的，就不怕路远。73、如果一个人爱你、特别在乎你，有一个表现是他还是有点怕你。74、先知三日，富贵十年。付诸行动，你就会得到力量。75、爱的力量大到可以使人忘记一切，却又小到连一粒嫉妒的沙石也不能容纳。1、这世上，没有谁活得比谁容易，只是有人在呼天抢地，有人在默默努力。2、当热诚变成习惯，恐惧和忧虑即无处容身。缺乏热诚的人也没有明确的目标。热诚使想象的轮子转动。一个人缺乏热诚就象汽车没有汽油。善于安排玩乐和工作，两者保持热
25、诚，就是最快乐的人。热诚使平凡的话题变得生动。3、起点低怕什么，大不了加倍努力。人生就像一场马拉松比赛，拼的不是起点，而是坚持的耐力和成长的速度。只要努力不止，进步也会不止。4、如果你不相信努力和时光，那么时光第一个就会辜负你。不要去否定你的过去，也不要用你的过去牵扯你的未来。不是因为有希望才去努力，而是努力了，才能看到希望。5、人生每天都要笑，生活的下一秒发生什么，我们谁也不知道。所以，放下心里的纠结，放下脑中的烦恼，放下生活的不愉快，活在当下。人生喜怒哀乐，百般形态，不如在心里全部淡然处之，轻轻一笑，让心更自在，生命更恒久。积极者相信只有推动自己才能推动世界，只要推动自己就能推动世界。6、
26、人性本善，纯如清溪流水凝露莹烁。欲望与情绪如风沙袭扰，把原本如天空旷蔚蓝的心蒙蔽。但我知道，每个人的心灵深处，不管乌云密布还是阴淤苍茫，但依然有一道彩虹，亮丽于心中某处。7、每个人的心里，都藏着一个了不起的自己，只要你不颓废，不消极，一直悄悄酝酿着乐观，培养着豁达，坚持着善良，只要在路上，就没有到达不了的远方！8、不要活在别人眼中，更不要活在别人嘴中。世界不会因为你的抱怨不满而为你改变，你能做到的只有改变你自己！9、欲戴王冠，必承其重。哪有什么好命天赐，不都是一路披荆斩棘才换来的。10、放手如拔牙。牙被拔掉的那一刻，你会觉得解脱。但舌头总会不由自主地往那个空空的牙洞里舔，一天数次。不痛了不代表
27、你能完全无视，留下的那个空缺永远都在，偶尔甚至会异常挂念。适应是需要时间的，但牙总是要拔，因为太痛，所以终归还是要放手，随它去。11、这个世界其实很公平，你想要比别人强，你就必须去做别人不想做的事，你想要过更好的生活，你就必须去承受更多的困难，承受别人不能承受的压力。12、逆境给人宝贵的磨炼机会。只有经得起环境考验的人，才能算是真正的强者。自古以来的伟人，大多是抱着不屈不挠的精神，从逆境中挣扎奋斗过来的。13、不同的人生，有不同的幸福。去发现你所拥有幸运，少抱怨上苍的不公，把握属于自己的幸福。你，我，我们大家都可以经历幸福的人生。14、给自己一份坚强，擦干眼泪；给自己一份自信，不卑不亢；给自己
28、一份洒脱，悠然前行。轻轻品，静静藏。为了看阳光，我来到这世上；为了与阳光同行，我笑对忧伤。15、总不能流血就喊痛，怕黑就开灯，想念就联系，疲惫就放空，被孤立就讨好，脆弱就想家，不要被现在而蒙蔽双眼，终究是要长大，最漆黑的那段路终要自己走完。21、每个人都有潜在的能量，只是很容易：被习惯所掩盖，被时间所迷离，被惰性所消磨。22、不论你在什么时候开始，重要的是开始之后就不要轻言放弃。23、恨别人，痛苦的却是自己。24、每天醒来，敲醒自己的不是钟声，而是梦想。25、你不能拼爹的时候，你就只能去拼命！26、如果人生的旅程上没有障碍，人还有什么可做的呢。27、我们无法选择自己的出身，可是我们的未来是自己
29、去改变的。励志名言：比别人多一点执着，你就会创造奇迹28、伟人之所以伟大，是因为他与别人共处逆境时，别人失去了信心，他却下决心实现自己的目标。29、人生就像一道漫长的阶梯，任何人也无法逆向而行，只能在急促而繁忙的进程中，偶尔转过头来，回望自己留下的蹒跚脚印。30、时间，带不走真正的朋友；岁月，留不住虚幻的拥有。时光转换，体会到缘分善变；平淡无语，感受了人情冷暖。有心的人，不管你在与不在，都会惦念；无心的情，无论你好与不好，只是漠然。走过一段路，总能有一次领悟；经历一些事，才能看清一些人。31、我们无法选择自己的出身，可是我们的未来是自己去改变的。32、命好不如习惯好。养成好习惯，一辈子受用不尽。33、比别人多一点执着，你就会创造奇迹。,
