影響電解鋁電流效率的因素及影響程度分析

王 帆

商電鋁業集團，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量與同樣條件下（電流強度和時間相同）鋁的理論產量之比的百分數，一定的生產條件下，電流效率的高低取決于實際鋁產量。電流效率是電解鋁生產過程中一項非常重要的技術經濟指標，電流效率的高低與鋁電解生產的各種工藝參數關系重大，它在一定程度上反映著電解鋁生產的技術水平。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到100%，即實際產量總是比理論產量低。目前國內先進鋁電解技術的電流效率一般可達92%～94%。因此加強電解工藝研究，是提高電流效率和經濟效益的根本途徑。

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明的“冰晶石—氧化鋁熔鹽電解法”，就一直成為現代鋁冶煉工業的技術基礎。電解鋁的實質：在通有高電流的電解槽中使熔融的電解質（NaAlF6-Al2O3熔體）在兩極上發生氧化還原反應，其基本反應方程式為：

陰極反應：Al3++3e=Al

陽極反應：2O2-+C-4e=CO2

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

2Al2O3+3C=4Al+3CO2

也正是因為電解質溶體中各種離子在電解過程中繁雜的電化學反應，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，如電解溫度、電解質的組成、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，部分補充電解生產中的熱損失，其余部分才是使熔體中離子產生還原反應做有用功，即發生如下的氧化還原反應：+3e=Al+ 4F-

實際上在上述氧化還原進行的同時，在同樣的電解條件下，同時進行著如下的反應：

這些反應引起電流做無用功，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入電解質，然后發生二次氧化反應，即2Al+3CO2= Al2O3+ 3CO，電解出來的原鋁向反方向進行氧化反應，引起電流效率的降低，溫度越高二次反應越劇烈，下表為我廠工作狀況比較穩定而槽溫不同的六臺電解槽，一個月內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，相當于增加了反應的過熱度，從而有利于正向氧化還原反應的順利進行；隨著分子比的降低，電解質的密度也相應降低，拉大了電解質和鋁液的密度差，也有利于鋁液從電解質中的分離，縮短了鋁和NaAlF6-Al2O3熔體接觸的時間，減少了二次逆向反應發生的幾率，但過低的分子比會使電解質的黏度增加，不利于雜質的分離及Al2O3的溶解，降低了電解質的電導率，容易產生沉淀，影響電解生產的正常進行。

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節，較高的鋁水平可以穩定磁場，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出去，有利于調節降低槽溫，減少二次反應，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，根據以往的經驗，對電解效率的影響可用伯奇—格洛泰姆方程[1]表述：

式中：t為電解質溫度（℃）；

x為電解質中過剩的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、電解質的組成及鋁水平等技術條件。

現以我廠200kA系列為例，分析上述參數對電流效率的影響程度。

表1 正常生產時的技術條件

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，如正常生產條件下為：

當任一條件發生變化以后的關系式為：

可知當任一條件的變化后，電流效率的變化值為

2.2.1 電解質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與電解質中過剩的AlF3量（XAlF3）之間的關系[2]可用公式（2）表述：

式中Σa——Al2O3和CaF2的百分含量，%；

根據我廠200KA系列的生產實踐，Al2O3和CaF2在電解質中的百分含量應該為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雜多變的電化學反應過程，各種生產作業條件是相互影響、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條件變化對電解過程的影響程度，以便于指導生產，確定合理的過程控制參數。

4 結論

電解過程反應機理復雜，影響因素很多，參照上述分析，同時結合我廠生產的實際經驗，筆者認為，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偏高的鋁水平外，從反應動力學的理論可知，只要有效的減緩反應的控制過程，就能減少二次反應，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中，要加強過程控制，提高操作水平，尋求最佳的電解參數，從而有效降低單位產量的能耗，提高企業的經濟效益和產品競爭力。

[1]楊重愚主編.輕金屬冶金學[M].冶金工業大學出版社，1998.

[2]邱竹賢主編.鋁電解[M].冶金工業出版社，1998.

[3]馮乃祥.鋁電解工藝[M].化學工業出版社，2006.