淺析鋁電解電流效率的重要性及控制措施

龍昌紅 王紅波 史紹源 易吉龍

云南云鋁涌鑫鋁業有限公司 云南建水 650039

1 電流效率在鋁電解生產中的重要性

電流效率是指單位時間內鋁電解產出鋁的質量與按法拉第定律計算的理論產量之比，即：CE=W實/W理×100%。式中W理 =0．3356×IT=0．3356kg．KA-1．H-1．I 為 電 流 強 度，A；t為 時間，h；0．3356為鋁的電化當量〔1〕。由此公式反推則有：W實=CE×W理×100%。在鋁電解生產中，一旦槽型確定（電流強度確定）情況下，電流效率的高低直接決定實際槽產量的多少[1]。

電流效率對原料消耗的影響：生產實踐表明，在同等投入情況下，電流效率越高，則產出的就越高，而同等投入下，產出的越多，則單位產品消耗就越低。下面以一實例對此加以說明：某公司400KA電解系列電流強度400KA，電解槽286臺，每年投入氧化鋁62．0萬噸，陽極炭塊15．5萬噸，氟化鋁5500噸，直流電41億度，則在不同電流效率情況下取得的經濟技術指標見下表：

表1 400KA電解槽不同電流效率下經濟指標對照表

從上表看出，在同等投入條件下，隨電流效率增加，產量在增加，各種物料單耗在降低，噸鋁成本也就在降低。對一條400KA 286臺電解槽系列，電流效率每增加1%，產量增加0．34萬噸/年，氧化鋁消耗降低 20．7kg/t．Al，陽極炭塊消耗降低 5．2kg/t．Al，氟化鋁消耗降低 0．2kg/t．Al，直流電消耗降低 136kwh/t．Al。

2 鋁電解電流效率降低的原因

鋁電解槽電流效率降低的原因大致有：電解槽漏電、電流空耗、其它離子放電、鈉離子電解生成金屬鈉、鋁的溶解損失。在正常生產狀態下，鋁的溶解損失是電解槽電流效率損失的主要原因[2]。

2.1 電解槽漏電

鋁電解槽電流只有從陽極流經電解質熔體再流到陰極的電流才能使電解質熔體的相關離子在兩極上發生電化學反應，生成電解產物—鋁和二氧化碳。如果電解槽出現陰陽極間局部短路、電解槽對地漏電等，流經電解質熔體的電流就會減小，電解產物也就減少，從而降低電流效率。

2.2 電流空耗

2.2.1鋁離子分步放電

一般來說，溶解在冰晶石熔體中的氧化鋁是以鋁氟絡合離子的形勢存在的，由于鋁離子在陰極表面存在分步放電造成而電流空耗。

在上述分步電解反應中，陰極表面部分生成的Al+，在尚未生成金屬鋁時，可能被陰極表面電解質的流動帶入到電解質熔體內部，并被陽極氣體氧化重新變成Al3+，由此而造成電流空耗。

2.2.2其它離子放電

主要指原料中某些雜質粒子溶解到電解質熔體中，在陰極表面放電。如：比鋁析出電位低的Ti4+、Si4+、P5+在陰極不完全放電生成低價離子

Ti4++e Ti3+Si4++2eSi2+

而這些低價離子被槽內電解質熔體流動帶到陽極區，在陽極上又被氧化成高價離子

Ti3+-e Ti4+Si2+-2eSi4+

由此而引起電流空耗。

2.3 鈉離子電解生成金屬鈉

理論和實踐研究表明，在鋁電解生成過程中，陰極表面可以生成金屬鈉，有化學反應的也有電化學反應的。

NaF（液）+Al（液）=AlF3+Na 或 Na++e=Na

化學反應也可以在電解質熔體內部進行，生成的鈉一部分由鋁液滲到陰極炭塊內襯中，一部分浮到電解質液體的表面被氧化、燃燒，再有一部分就是溶解到電解質熔體中，并被陽極氣體二氧化碳氧化[3]。

工業鋁電解過程中，Na+在陰極上的放電電位比Al3+在陰極上的放電電位高0．24V左右，隨電解質溫度升高及分子比的提高，這個差值會降低，更易促進Na+放電，從而致使鋁電解電流效率更低。

2.4 鋁的溶解損失

物理溶解損失即是陰極中的金屬鋁以原子態溶解到電解質熔體中：Al（陰極）Al（電解質熔體）；化學溶解損失 即是陰極金屬鋁與電解質熔體組分發生化學反應，生成低價離子化合物或以金屬鋁的形式溶解到熔體中：2Al+=3Al++6F-或2Al+AlF3=3AlF

在陰極表面上，金屬鋁還會與NaF反應生成金屬鈉或低價金屬鈉的氟化物

陽極質量太差，槽內碳渣過多時，槽膛內聚結的碳渣使陽極和邊部炭塊形成短路時，或者電解槽的上下金屬結構絕緣不好出現短路時，鋁的電化學溶解損失也可能出現：Al-3e Al+

3 鋁電解實際生產中電流效率的控制措施

3.1 使用合格的冶金級氧化鋁

氧化鋁的粒度對電流效率有較大影響。使用砂狀氧化鋁的企業，電流效率普遍偏高。主要原因是砂狀氧化鋁的溶解能力強，在相同電解溫度和電解質成分的情況下，砂狀氧化鋁更容易熔入電解質中，減少效應的發生，減少爐底沉淀的產生，電解槽槽膛規整，電流效率較高。并且砂狀氧化鋁有較大的表面積，具有較高的活性，可有效吸附氟化物，形成穩定的載氟氧化鋁，有利于保持電解質中過剩氟化鋁量，電解生產穩定，有利于電流效率的提高。

表2 400kA電解槽工藝優化前后電流效率對照表

3.2 使用高質量的預焙陽極

當前國內很多電解鋁企業陽極質量較差，且嚴重影響了電解槽的電流效率。其主要原因有以下幾個方面：

（1）陽極電阻偏大。陽極電阻增大會增大陽極炭塊壓降，增加的壓降將以熱量的形式進入電解質中，最終導致電解溫度升高，降低電流效率。

（2）陽極抗氧化性能差，運行過程中產生過多的碳渣。當前很多企業陽極分析指標中，常規五項指標良好，但是二氧化碳殘余率和空氣殘余率偏低，陽極抗氧化性能差，因此會導致陽極運行過程中氧化、掉渣嚴重。過多的碳渣富集到電解質中，影響氧化鋁的溶解度和溶解速度，使電解槽沉淀增多，爐膛變差，嚴重時將造成陽極長包，形成電流短路，引起電解槽槽溫升高、槽況不穩定。過多的碳渣還會使側部爐幫過空，水平電流增加，引起電流空耗。以上不利影響均會引起電流效率的降低。

4 加強精細化操作管理

4.1 換極質量的控制

換極時，陽極覆蓋料未清理干凈或收邊時未填好縫隙就添加極上料，均會產生大量物料進入槽內，形成過多爐底沉淀，惡化爐膛。換極時，大的塊料掉入槽內未打撈干凈，會引起裝極后電解槽的電壓擺動，或者新極安裝精度不夠（過高過低），均會嚴重影響電解槽陽極電流分布，降低電解槽穩定性，造成電流效率降低。

4.2 電解溫度的控制

傳統理論認為，電解溫度越低，電流效率越高。電解溫度每降低10℃，電流效率提高1% -2% 。但是，如果電解溫度過低，電流效率會出現降低的現象。研究發現當電解溫度低于930℃以后，隨著電解溫度的降低，氧化鋁溶解性能變差，爐底沉淀增多、爐底壓降升高、爐膛變差、電解槽穩定性變差，因而電流效率出現降低的情況。

4.3 鋁水平的控制

鋁水平的提高有利于提高電解槽穩定性，有利于電流效率的提高。但是過高的鋁液水平會增加電解槽側下部散熱，造成爐底沉淀、結殼，側部伸腿長等不利因素。因此保持合理的鋁水平，是保持能量平衡獲得高電流效率的基礎，見表2。

5 結語

生產中要獲得較好的經濟技術指標，降低生產成本，提高電流效率至關重要，而要獲得較高的電流效率，就需要嚴把原料質量關、根據生產實際匹配好工藝參數、提高工藝操作的監管。