電解鋁降低陽極碳耗的途徑與措施

姚惠雄

（山西兆豐鋁電公司電解鋁分公司，山西 陽泉 045209）

1 碳陽極消耗機理

1.1 碳陽極電化學(xué)消耗

利用冰晶石—氧化鋁熔體電解法這種化學(xué)原理進行對鋁的生產(chǎn)制造過程，它的主要化學(xué)反應(yīng)過程為在碳陽極通以直流電，并將氧化鋁置于陽極進行化學(xué)反應(yīng)。在電解的條件下，生成鋁。在這個化學(xué)反應(yīng)的過程中，主要的化學(xué)方程式為：

化學(xué)方程式（1）：可以等效于在100%電流效率下進行的鋁的反應(yīng)，理論上生產(chǎn)1mol鋁需要消耗333kg的碳陽極。

化學(xué)方程式（2）：可以等效于在75%電流效率下進行的鋁的反應(yīng)，理論上生產(chǎn)1mol鋁需要消耗444kg的碳陽極。

化學(xué)方程式（3）：可以等效于在50%電流效率下進行的鋁的反應(yīng)，理論上生產(chǎn)1mol鋁需要消耗666kg的碳陽極。

根據(jù)如上所示的三個電解方程式，根據(jù)反應(yīng)進行的程度，結(jié)合相應(yīng)的電流效率以及碳陽極的消耗量以及生成的氣體二氧化碳的種類，可以繪制出如下的曲線關(guān)系圖1所示：

圖1 陽極碳耗與電流效率、陽極氣體中CO2重量百分比之間關(guān)系曲線圖

并且對于三個反應(yīng)式相討論得知，經(jīng)過分析計算，發(fā)展當電流效率為100%時，消耗碳陽極333kg，這時反應(yīng)最充分。但由于在反應(yīng)過程中，隨著反應(yīng)的進行程度，熔融電解質(zhì)中生成的鋁霧會與反應(yīng)生成的二氧化碳再次發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（2Al(熔融)+3CO2(氣 )=Al2O3(熔融)+3CO(氣)），這就造成一定的鋁的消耗，從而導(dǎo)致電流效率的明顯降低。并且，在這個化學(xué)反應(yīng)中，陽極化學(xué)反應(yīng)消耗碳陽極的質(zhì)量為333/ηkg/t-Al(η為電流效率)。

1.2 碳陽極過量消耗

經(jīng)過對碳陽極電化學(xué)消耗的質(zhì)量進行討論得，理想化學(xué)反應(yīng)中，對碳陽極的消耗量為333/ηkg/t-Al(η為電流效率)，則此時稱多與消耗的碳陽極質(zhì)量為過量消耗。這種消耗過程中，主要是由于電解槽陽極碳塊頂部在逐漸產(chǎn)生電解反應(yīng)，從而致使碳陽極上的不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的部分與空氣中氧氣接觸，從而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

并且，通過查閱資料，可以發(fā)現(xiàn)，在電解碳陽極的化學(xué)反應(yīng)過程中，反應(yīng)溫度在300℃～350℃時，碳陽極側(cè)部便會開始與空氣中接觸的氧氣開始反應(yīng)，并且，反應(yīng)的進行程度陽極的氧化鋁的材質(zhì)分布的密度有關(guān)。并且當溫度低于727℃時主要發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為方程（4），而當溫度高于727℃，則為方程（5）為主要考慮的反應(yīng)進行的程度。在碳陽極電解鋁的反應(yīng)條件下，反應(yīng)溫度一般小于427℃，故這個溫度已經(jīng)可以保障碳陽極側(cè)面可以與空氣中的氧氣進行氧化反應(yīng)。并且，由于電解過程中，生成了大量的二氧化碳氣體，這就導(dǎo)致大量的氣體雜質(zhì)的產(chǎn)生，而這些由于電解反應(yīng)產(chǎn)生的氣體雜質(zhì)會對碳與空氣的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生一定的催化作用。而這一反應(yīng)在催化劑的作用下會明顯加快反應(yīng)速度。并且，對于冰晶石—氧化鋁熔體電解法生產(chǎn)鋁的過程中，經(jīng)常采用的電解槽材質(zhì)為預(yù)焙陽極鋁電解槽，并且在整個過程中反應(yīng)。

1.3 碳陽極凈耗與U、V值的計算

整個的鋁電解總的反應(yīng)方程式，如方程式（6）-（10）所示：

電流效率：

并且借用這些方程式，可以很好的計算出碳陽極凈耗與U、V值之間的關(guān)系。當知道電解反應(yīng)的碳陽極消耗量時，可以進而求得反應(yīng)的U、V值。

2 降低碳陽極消耗途徑與措施

2.1 提高陽極電流密度

由于我國現(xiàn)行的各種工業(yè)手段進行電解鋁生產(chǎn)已知采用的為低密度陽極密度，這就導(dǎo)致我國的陽極凈耗量以及生成鋁的量都不如國外的高。并且由于氧化現(xiàn)象的存在，以及受碳陽極消耗的各種因素的影響，這就導(dǎo)致更為大量的碳陽極的消耗結(jié)果以及反應(yīng)速率的明顯降低。因此要制定有效手段來，通過使用較高的陽極電流密度的措施，來降低碳陽極損耗度，得到更多的反應(yīng)后的鋁制品。

2.2 優(yōu)化陽極的設(shè)計

由于碳陽極的幾何形狀可以對電解反應(yīng)的進行程度產(chǎn)生較大的影響。因此，就需要對陽極碳塊進行必要的優(yōu)化設(shè)計手段，以保證在相同電流、電壓的前提下，生成更多的鋁制品，有效的降低碳陽極的損耗。研究表明，我國現(xiàn)行的鋁電解槽使用規(guī)模開始逐漸加大，但是這種大面積的電解槽會導(dǎo)致產(chǎn)生的CO2氣體的排除，進而影響反應(yīng)速率的降低。以此，在設(shè)計中，就提出了對碳陽極的優(yōu)化設(shè)計步驟，以便二氧化碳有更好的排出。

2.3 加強陽極操作與維護

由于整個電解反應(yīng)過程中,主要進行的反應(yīng)則為電解碳陽極，因此，這需要對碳陽極部位進行嚴格的操作與維護手段，才能保障電解反應(yīng)的正常進行。為了減少碳陽極的損耗，可以進行的措施與手段有：對碳陽極進行加厚以及覆蓋保護膜的操作，及時對電解后的碳陽極進行更換；使用材料填滿碳塊頂部的空隙，避免使電解質(zhì)與其反應(yīng)。平時也要多注意對碳陽極操作過程的維護性，注意保護每一項碳陽極可能出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，真正落實提升電化學(xué)電解反應(yīng)制鋁的反應(yīng)效率。

3 結(jié)語

針對冰晶石—氧化鋁熔體電解法制鋁進行分析，得出碳陽極的消耗與陽極的質(zhì)量以及形狀設(shè)計都有關(guān)系，因此有關(guān)部門要積極的引進相應(yīng)的設(shè)計型人才，提升談養(yǎng)殖的產(chǎn)品之質(zhì)量，降低碳陽極空氣的滲透性，有效的降低反應(yīng)的U、V值，從而減少各種不利于反映進行的因素的產(chǎn)生，提升我國制鋁業(yè)的更穩(wěn)健發(fā)展。