第十章 铝电解生产中的电流效率

1 (CO2 %) 50% 2
10.2 铝电解槽电流效率降低的原因
就工业电解槽而言，引起电流效率降低的原因 主要有以下几个方面:
铝的物理或化学溶解损失，并被阳极气体氧化 铝的不完全放电所引起的电流空耗损失 其它离子放电所引起的电流效率损失
电解槽漏电，或局部极间短路
10.2 铝电解槽电流效率降低的原因
（1） 2Na++e=Na2+
（2） Na2++e=2Na
10.2 铝电解槽电流效率降低的原因
• 杂质离子放电 熔体中因原料不纯带进许多杂
质，如Fe3+、Si4+、P5+、V5+和Ti4+等离子，这 些离子的电位都比铝正，从而优先在阴极上放 电，其结果使铝的品位降低，电流效率下降。
10.2 铝电解槽电流效率降低的原因
容易在槽底形成沉淀。
10.3 电流效率与电解参数的关系
10.3 电流效率与电解参数的关系
• (3)添加剂
添加剂对电流效率的影响，基本上与对铝损 失的影响相反。一般来说，凡是能使铝损失量减 少的添加剂，都能够使电流效率提高。在各种添 加剂中，使铝铝损失量减少者为MgF2、CaF2、 BaCl2、LiF和NaCl。
反应为：
• Al+6NaF→Na3AlF6+3Na • Al+6NaF→3Na2F+AlF3
2.铝的二次反应机理
氧化铝 CO2 电解质熔体 铝液
金属粒子
10.2 铝电解槽电流效率降低的原因
• 在铝电解生产过程中，阴极铝的溶解，以及被
阳极气体氧化的过程可分为如下几个步骤：
(1)在与电解质接触的表面，铝进行溶解；
10.2 铝电解槽电流效率降低的原因
• 2. 铝的不完全放电
在阴极，Al3++2e→Al&# 在阳极，Al+-2e→Al3+
这些反应反复进行，造成电流的无功损失。
10.2 铝电解槽电流效率降低的原因
3．其它离子放电
• 钠离子放电
金属钠除可能被铝臵换外，钠离子本身也可 能在阴极上放电，在电解过程中，钠离子放电分 两步进行，
的气泡大，气体与电解质的接触面积小，因而减 少二次反应。
• 在较低的分子比下，形成电解质膜
10.3 电流效率与电解参数的关系
分子比过低会对电解不利：
• 使氧化铝的溶解速度和溶解度下降 • 使发生阳极效应的临界电流密度增加，导致效应
频率增加
• 电解质导电率下降，电阻增大，极距减小
• 电解质成分受外界环境温度和操作的影响较大，
（1）电解质与阴极铝液之间的表面张力，随氧化铝浓度的 降低而升高；
（2）电解质的导电率随氧化铝浓度的降低而升高，因此，
在相同的槽电压下，会有较高的极距; （3）在低氧化铝浓度下，电解质与炭阳极间的表面张力提 高，致使阳极形成的气泡大，气体与电解质的接触面积 小，因而减少二次反应。
10.3 电流效率与电解参数的关系
10.3 电流效率与电解参数的关系
10.3 电流效率与电解参数的关系
• 5．铝液高度
铝液高度应有适当值
在工业电解槽上，阳极 底部热量多余，使阳极 下部温度比侧部高，必
须把此部分多余热量疏
导出去。而铝是热的良 导体，故要保持一定的
铝液高度。
但铝液过高，槽膛 则相应要高，热损失
增加，电耗增大。
10.3 电流效率与电解参数的关系
10.2 铝电解槽电流效率降低的原因
• 4．其它损失
水的电解、碳化铝的生成、电子导电、 电解槽漏电或局部极间短路等。
10.2 铝电解槽电流效率降低的原因
提高电流效率的途径：
• 降低电解温度 • 更有效，但长远的目标是改革或改变现行电解槽的
结构
惰性阳极：陶瓷阳极、金属陶瓷阳极、金属阳极 惰性阴极：TiB2涂层阴极、 TiB2复合阴极、TiB2陶 瓷阴极
6. 槽膛形状与电流效率
合理的“伸腿”和槽帮结壳对电解槽有以下好处：
• 可减少阴极铝液的水平电流分量，防止电流从加
工面部位流入阴极碳棒；
• 防止阴极铝液从阴极周边缝隙流入槽底、熔化阴
极钢棒，提高电解槽寿命；
• 可以将阴极铝液面积减小到阳极投影面积较大一
些的范围内，可使阴极铝液的溶解面积和水平电 流降低。
qD C0 C1

S
10.3 电流效率与电解参数的关系
• 当电解温度生高时，铝在熔体中的溶解度增大，熔体
的粘度减小，电解质的循环流动速度增大，因此，温 度升高，铝的二次反应加剧，铝的损失增大，电流效
率降低。在其它条件相同时，电解温度每降低10℃，
电流效率提高约1.5%。
0.244t 327.6

p实 p理 100%，P =CI 103 (kg ) 理
C 铝的电化当量，C=0.3356g/(A h); I-电解槽系列平均电流，A;
-电解时间，h
10.1 铝电解槽的电流效率的定义
电流效率的测定方法：
• 1.盘存法
n mi ( P2 P ) 1 i 1 100% 平 0.3356 I
10.3 电流效率与电解参数的关系
10.3.4 电流密度 阴极电流密度 阴极面积（铝液镜面）变化: 金属与 电解质接触面(扩散面积)，铝损 电流强度变化: 电流强度，阳极气体 量，搅拌强度，，电子导电 相对分数，故铝损，但铝的积 累速度大于损失速度。总体上电流 效率 ； 阳极电流密度 阳极面积变化: 阳极面积, 排气速度， 搅拌强度， ，铝损 电流强度变化: 气体量，搅拌强度， 铝损大。
(2)溶解的金属粒子从界面层扩散出来；
(3)从界面层扩散出来的粒子传质到熔体内部；
10.2 铝电解槽电流效率降低的原因
(4)阳极上生成的二氧化碳传输到熔体内部，少量 的 二氧化碳溶解在电解质熔体中； (5)在电解质熔体内部，溶解的金属粒子M与阳极 CO2气体产物发生反应：
M（溶解的）+CO2（气态或溶解的）=CO+MO（溶解的） M：可以是金属铝和钠粒子，也可以是它们的低价化合物 离子。
10.3 电流效率与电解参数的关系
10.3 电流效率与电解参数的关系
• 7. 各种参数对电流效率的综合影响
伯奇-格洛泰姆方程
(%) 0.1388t 0.59 x 58.9sin(3h) 0.032a 163.7
邱竹贤-冯乃祥方程
CO2 (%) 59.10 x1 740.4 x6 0.0007878 x3 0.03255 x1 x3 0.7991x6 x3 593.1 杨济民研究
• 2.稀释法
对示踪元素的要求：能溶解于铝液，而完全不 溶解于电解质，蒸汽压要小，溶解后不蒸发损失， 纯度要高。
10.1 铝电解槽的电流效率的定义
M 1 M 2 PC1 M 2 ( P M 1 )C2 P [(1 C2 ) M 1 ] /(C1 C2 )
• 3.气体分析法
2 (%) 151.9 8.224 105 x1 0.1876 x3 11.78 x4 1.367 x5 1.113x6 2 44.51x7 26.85 x8 2.843 106 x9
10.4 磁场对电流效率的影响
由于存在电磁力的作用: 1. 铝液表面的凸起 造成电流分部不均, 生产不能稳定进行. 2. 滚铝 两极短路，增大铝的溶解和再氧化。 3. 铝液的循环流动 有利于温度均匀，但铝的溶解和再氧化↑ ，槽底破损↑， 增大电压降↑ ，电流效率↓。 4. 铝液的波动 有效极距↓，电流分布不均，铝损增大 5. 电解质的循环 利于温度均匀，但溶解铝的扩散↑，再氧化↑。
但过分降低温度将使电解质发粘，导致铝珠与电解质 分离困难而造成铝的损失。故温度应适当。
10.3 电流效率与电解参数的关系
10.3.2 电解质组成
• 氧化铝浓度
随着氧化铝浓度的升高，电流效率增加，但在高 氧化铝浓度下，电流效率增加不显著。
10.3 电流效率与电解参数的关系
• 在低氧化铝浓度下，电流效率有较高值的原因是：
10.3 电流效率与电解参数的关系
10.3.3 极距
极距增大，由于相同阳极气体量搅拌的两 极间的液体量增多，搅拌强度减弱，从而增 大，电流效率增加。 但极距太大时，温度升高，粘度减小，电
解质循环加快，铝损增加；且槽电压升高，电
耗增多，槽子转热而出现病槽等。宜控制在 4.2~4.5cm。
10.3 电流效率与电解参数的关系
10.3 电流效率与电解参数的关系
添加剂对电流效率的影响： 一切能降低铝损失量的添加剂都有利于提高电流效率 MgF2、CaF2: 降低初晶温度； 增大铝液-电解质的界面张力； 促进熔体中的炭渣分离。 LiF: 大幅度降低初晶温度； 降低熔体密度便于利用比重差分离铝和熔体； 提高熔体的电导率。 添加方式：电解质中添加；阳极糊中添加。
10.2 铝电解槽电流效率降低的原因
生成低价铝离子是化学溶解的主要形式，如：
•
•
2Al+AlF3==3AlF, 2Al+Al3+==3Al+ 2Al+Na3AlF6=3AlF+3NaF 2Al+AlF63-=3Al++6F-
10.2 铝电解槽电流效率降低的原因
其次，铝可能与NaF作用臵换出金属钠，其
10.3 电流效率与电解参数的关系
（2）分子比
随着分子比的降低，熔体初晶温度下降，铝 液-电解质的界面张力增大，镜面收缩，铝的溶解 度下降，熔体中Na+的活度降低，放电的可能性减 少，因而电流效率提高。
10.3 电流效率与电解参数的关系