王 帆

商電鋁業(yè)集團(tuán)，河南商丘 476000

0 引言

所謂電流效率就是在電解過(guò)程中實(shí)際的鋁產(chǎn)量與同樣條件下（電流強(qiáng)度和時(shí)間相同）鋁的理論產(chǎn)量之比的百分?jǐn)?shù)，一定的生產(chǎn)條件下，電流效率的高低取決于實(shí)際鋁產(chǎn)量。電流效率是電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中一項(xiàng)非常重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，電流效率的高低與鋁電解生產(chǎn)的各種工藝參數(shù)關(guān)系重大，它在一定程度上反映著電解鋁生產(chǎn)的技術(shù)水平。因?yàn)樵陔娊膺^(guò)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(dá)到100%，即實(shí)際產(chǎn)量總是比理論產(chǎn)量低。目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)鋁電解技術(shù)的電流效率一般可達(dá)92%～94%。因此加強(qiáng)電解工藝研究，是提高電流效率和經(jīng)濟(jì)效益的根本途徑。

1 鋁電解過(guò)程的機(jī)理

自1886年以來(lái)，美國(guó)霍爾和法國(guó)埃魯特發(fā)明的“冰晶石—氧化鋁熔鹽電解法”，就一直成為現(xiàn)代鋁冶煉工業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。電解鋁的實(shí)質(zhì)：在通有高電流的電解槽中使熔融的電解質(zhì)（NaAlF6-Al2O3熔體）在兩極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，其基本反應(yīng)方程式為：

陰極反應(yīng)：Al3++3e=Al

陽(yáng)極反應(yīng)：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(gòu)成 ，這些不同的離子在不同的生產(chǎn)條件下有不同的反應(yīng)機(jī)理，使得電解工程十分復(fù)雜，至今還有不少爭(zhēng)議，但不管何種機(jī)理，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程，都是消耗了Al2O3和C，總的反應(yīng)方程式依然為：

2Al2O3+3C=4Al+3CO2

也正是因?yàn)殡娊赓|(zhì)溶體中各種離子在電解過(guò)程中繁雜的電化學(xué)反應(yīng)，直接影響了電解鋁的電流效率，對(duì)電解機(jī)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(dǎo)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(jī)械損失外，鋁的損失均與電解條件密切相關(guān)，如電解溫度、電解質(zhì)的組成、極距、電流密度及鋁液的高度等。

2.1.1 電解溫度對(duì)電流效率的影響

電解生產(chǎn)中直流電除了流過(guò)回路的電阻造成的電能損失外，部分補(bǔ)充電解生產(chǎn)中的熱損失，其余部分才是使熔體中離子產(chǎn)生還原反應(yīng)做有用功，即發(fā)生如下的氧化還原反應(yīng)：+3e=Al+ 4F-

實(shí)際上在上述氧化還原進(jìn)行的同時(shí)，在同樣的電解條件下，同時(shí)進(jìn)行著如下的反應(yīng)：

這些反應(yīng)引起電流做無(wú)用功，降低了電流效率，而在高溫的情況下，這些反應(yīng)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(lái)的原鋁又容易再次溶解進(jìn)入電解質(zhì)，然后發(fā)生二次氧化反應(yīng)，即2Al+3CO2= Al2O3+ 3CO，電解出來(lái)的原鋁向反方向進(jìn)行氧化反應(yīng)，引起電流效率的降低，溫度越高二次反應(yīng)越劇烈，下表為我廠工作狀況比較穩(wěn)定而槽溫不同的六臺(tái)電解槽，一個(gè)月內(nèi)測(cè)量的槽溫和實(shí)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(shì)關(guān)系。

2.1.2 分子比對(duì)電流效率的影響

降低分子比可以降低電解質(zhì)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(dāng)于增加了反應(yīng)的過(guò)熱度，從而有利于正向氧化還原反應(yīng)的順利進(jìn)行；隨著分子比的降低，電解質(zhì)的密度也相應(yīng)降低，拉大了電解質(zhì)和鋁液的密度差，也有利于鋁液從電解質(zhì)中的分離，縮短了鋁和NaAlF6-Al2O3熔體接觸的時(shí)間，減少了二次逆向反應(yīng)發(fā)生的幾率，但過(guò)低的分子比會(huì)使電解質(zhì)的黏度增加，不利于雜質(zhì)的分離及Al2O3的溶解，降低了電解質(zhì)的電導(dǎo)率，容易產(chǎn)生沉淀，影響電解生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

2.1.3 鋁水平對(duì)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(huán)節(jié)，較高的鋁水平可以穩(wěn)定磁場(chǎng)，填平槽底部高洼不平之處，使電流比較均勻的通過(guò)槽底，減少水平電流，降低了針振和電壓擺發(fā)生的幾率和幅度，并可以減少對(duì)陰極的侵蝕。因?yàn)殇X是一種熱的良導(dǎo)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(yáng)極底部的熱量及時(shí)的散發(fā)出去，有利于調(diào)節(jié)降低槽溫，減少二次反應(yīng)，從而有利于提高電流效率。

2.1.4 極距對(duì)電流效率的影響

極距是指陽(yáng)極底掌與鋁液鏡面之間的距離，極距較小時(shí)，使得溶解鋁擴(kuò)散到氧化區(qū)的距離短，有時(shí)陽(yáng)極氣體直接地將鋁液面上的鋁氧化。極距增大后，熔體的對(duì)流攪拌作用減弱，擴(kuò)散層厚度增加，鋁損失減少。但是當(dāng)極距超過(guò)一定程度后，壓降將明顯升高，此時(shí)電能消耗大大提高，故通過(guò)提高極距來(lái)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(jù)電解機(jī)理，各種條件對(duì)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(duì)電流的影響做如下分析，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(zhì)溫度（℃）；

x為電解質(zhì)中過(guò)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(zhì)的組成及鋁水平等技術(shù)條件。

現(xiàn)以我廠200kA系列為例，分析上述參數(shù)對(duì)電流效率的影響程度。

表1 正常生產(chǎn)時(shí)的技術(shù)條件

公式（1）為多元方程，在分析單一因素對(duì)電流效率的影響程度時(shí)，首先要假定其它變量為一個(gè)恒定的值，如正常生產(chǎn)條件下為：

當(dāng)任一條件發(fā)生變化以后的關(guān)系式為：

可知當(dāng)任一條件的變化后，電流效率的變化值為

2.2.1 電解質(zhì)溫度波動(dòng)對(duì)電流效率的影響程度

2.2.2 分子比波動(dòng)對(duì)電流效率的影響程度

分子比K與電解質(zhì)中過(guò)剩的AlF3量（XAlF3）之間的關(guān)系[2]可用公式（2）表述：

式中Σa——Al2O3和CaF2的百分含量，%；

根據(jù)我廠200KA系列的生產(chǎn)實(shí)踐，Al2O3和CaF2在電解質(zhì)中的百分含量應(yīng)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(jù)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(dòng)對(duì)電流效率的影響程度

設(shè)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(zhì)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(guò)程是個(gè)復(fù)雜多變的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，各種生產(chǎn)作業(yè)條件是相互影響、綜合作用的，這些因素對(duì)電流效率的影響程度也不可能作簡(jiǎn)單的累加，上述計(jì)算分析，其目的是為了探詢技術(shù)條件變化對(duì)電解過(guò)程的影響程度，以便于指導(dǎo)生產(chǎn)，確定合理的過(guò)程控制參數(shù)。

4 結(jié)論

電解過(guò)程反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，影響因素很多，參照上述分析，同時(shí)結(jié)合我廠生產(chǎn)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)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(dāng)偏高的鋁水平的條件下，可以有效的提高電流效率。

實(shí)際生產(chǎn)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(dāng)偏高的鋁水平外，從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的理論可知，只要有效的減緩反應(yīng)的控制過(guò)程，就能減少二次反應(yīng)，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?cè)谌粘５纳a(chǎn)中，要加強(qiáng)過(guò)程控制，提高操作水平，尋求最佳的電解參數(shù)，從而有效降低單位產(chǎn)量的能耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]楊重愚主編.輕金屬冶金學(xué)[M].冶金工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[2]邱竹賢主編.鋁電解[M].冶金工業(yè)出版社，1998.

[3]馮乃祥.鋁電解工藝[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2006.