3 铝电解的基础理论知识—0

第三章铝电解的基础理论知识

3.1 铝电解槽的主要工艺技术条件（技术参数）

理解铝电解槽的主要工艺技术条件（或称主要技术参数），是深入了解和掌握铝电解原理和操作技术的基础。为此，我们首先回顾一下，在第一章“铝电解概述”中已介绍的铝电解槽的主要特征（图1-1）。

图1-1 铝电解槽的主要特征示意图

从该特征图出发，我们来讨论如下描绘铝电解工艺特征的主要技术参数（工艺技术条件）。

3.1.1 槽工作电压（槽电压）

槽工作电压，简称槽电压，是指电解槽的进电端与出电端之间的电压降。现代预焙槽的槽电压一般在4.0～4.4V之间。在系列电流基本恒定的情况下，电解槽的电压高低直接决定着电解槽的能量收入，因此，调整槽电压是调整电解槽能量收入的最直接和最主要的手段。

（1）关于槽电压及相关参数的检测

槽电压是电解槽上唯一可由仪表或计算机控制系统直接地、实时地进行检测的参数，也是最能反应电解槽状态变化的参数。另一个可由仪表或计算机控制系统直接地、实时地进行检测的参数是系列电流，但它不是在电解槽上直接检测的，而是在整流车间集中检测，因为电解槽是串联的，通过各槽的系列电流强度是一样大的。

对于现场操作人员和计算机控制系统来说，槽电压和系列电流是用于分析和控制电解槽的最重要的参数。还有一个与槽电压密切相关的参数是槽电阻，它是由槽电压和系列电流计算得来的。

（2）关于槽电压的内涵

关于槽电压的内涵，将在本章第11节“铝电解的电压平衡”中详细讨论。关于槽电阻的有关概念将在第五章中讨论。

3.1.2 极距

极距是指铝电解槽阳极底部（常称为阳极底掌）到阴极铝液镜面（即铝液与电解质的界面）之间的距离，简而言之，就是电解槽阴、阳两极之间的距离。它既是电解过程中的电化学反应区域，又是维持电解温度的热源中心。铝电解槽只有保持一定的极距才能正常生产。正常生产过程的极距一般在4cm ～5cm 之间。

（1）关于极距与槽电压之间的关系

由于改变极距便改变了阴阳两极间电解质的电阻，于是便改变了极间电解质的电压降。极距改变1mm ，引起槽电压的变化约30～40mV ，这是非常显著的。因此，调整极距是调整槽电压的主要手段。生产中所指的槽电压调节意指通过调整极距来改变槽电压。这便是生产中常把极距调节与槽电压调节两个概念等同起来的原因。

（2）关于极距与技术经济指标间的关系

提高极距一方面能减少铝在电解质中的溶解损失，因而对提高电流效率有利；另一方面因为增大电解质压降而升高槽电压，而对降低能耗指标不利。因此，生产中有一个如何选择最佳极距的问题。研究表明，当极距低于4.5cm 时，提高极距对电流效率的作用非常明显，并且提高电流效率对降低能耗的作用大于槽电压升高对能耗的不利作用。反之，若极距高于 4.5cm ，则极距升高对电流效率的作用逐渐变得不明显，因而提高电流效率带来的好处不能抵消升高槽电压（因而升高槽温）所带来的坏处。极距对电流效率的影响如图3-1所示。

基于上述分析可知，极距调节（或槽电压调节）需兼顾两个目的：一是维持合适的极距；一是0 1 2 3 4 5 6 7

极距／cm

电

流

效率

% 92

图3-1 极距对电流效率的影响（示意图）

80

维持合适的槽电压从而维持合适的能量收入（最终维持电解槽的能量平衡）。由于预焙槽的平均极距一般容易保证在4.5cm以上，所以实际生产中极距的确定主要以保持稳定的能量平衡（热平衡）为目标。

关于极距及槽电压与电解槽的电流效率和电能消耗指标的关系将在第六章“提高铝电解槽技术经济指标的措施分析”中讨论。

（3）关于极距的（间接）检测与控制

工业生产中，一般很少对极距直接进行测定。一是因为直接测定较困难；二是因为正常情况下只要槽电压在一定的范围便能保证极距在合适的范围，调整极距主要从电压上进行考虑；三是因为生产中主要是防止极距过低，而极距过低往往能从槽电压的稳定性（电压是否波动）上间接反应出来。当槽电压波动时，往往需要上抬极距。

预焙槽的极距一般比自焙槽稍高，因为预焙槽的阳极块数目多，很难使每块阳极都保持在同一极距。同时也不应有极距过低的炭块，这会引起电流分布不均，造成局部过热，电压摆动，阳极掉块，降低电流效率。由于出现这种问题的电解槽会表现出电压摆动，因此检测阳极电流密度分布（及各阳极块的电流分布的大小）可以找出极距过低的炭块。

极距调节（或槽电压调节）是现代铝电解槽计算机控制的主要内容之一，这将在第五章“铝电解槽的计算机控制”中详述。

3.1.3 电解质成份（分子比）

（1）电解质的基本成份

铝电解生产采用的是“冰晶石（为主体）—氧化铝”电解质，其中氧化铝是炼铝的原料，冰晶石是溶剂。此外，在电解质熔体中还含有一些游离的添加剂成份，主要有氟化铝（AlF3）、氟化钙（CaF2）、氟化镁（MgF2）、氟化锂（LiF）等。这些添加剂主要用于改善电解质的物理化学性能，其中主要目的是用来降低电解质的熔点（将在“电解质温度”中详细讨论），氟化锂则还用于改善电解质导电率。

冰晶石的化学式为Na3AlF6，从分子结构上讲，它是由3mol氟化钠（NaF）与1mol氟化铝（AlF3）结合而成，所以又可写成3NaF·AlF3，此种配比的冰晶石称为正冰晶石。冰晶石中所含氟化钠摩尔数与氟化铝摩尔数之比，称为冰晶石的摩尔比（俗称分子比）。正冰晶石的分子比等于3，冰晶石的分子比既可大于3，也可小于3，分子比等于3的冰晶石又称为中性冰晶石，大于3的称为碱性冰晶石，小于3的称为酸性冰晶石。

当在中性冰晶石（分子比等于3）中添加氟化铝时，便使分子比降低，电解质酸度提高。氟化镁也提高电解质酸度，而氟化锂则降低电解质酸度（提高碱度）。氧化铝和氟化钙则对电解质酸碱度影响很小。

（2）关于电解质成份的演变

铝电解方法刚被发明出来的时候（1888年），采用酸度很高（分子比为1）的电解质，电流效率很低。其后直至20世纪40年代，采用弱碱性至中性（分子比≥3）的电解质，电流效率达80%以上。其后，因发现降低电解质温度可以显著提高电流效率，所以逐步采用弱酸性（分子比 2.9）至酸性电解质，到20世纪80年代，分子比降低到接近2.4，电流效率提高到85～90%。后来，随