影响电解铝电流效率的因素及影响程度分析

王 帆

商电铝业集团，河南商丘 476000

0 引言

所谓电流效率就是在电解过程中实际的铝产量与同样条件下（电流强度和时间相同）铝的理论产量之比的百分数，一定的生产条件下，电流效率的高低取决于实际铝产量。电流效率是电解铝生产过程中一项非常重要的技术经济指标，电流效率的高低与铝电解生产的各种工艺参数关系重大，它在一定程度上反映着电解铝生产的技术水平。因为在电解过程中，一方面金属铝在阴极析出，另一方面又以各种原因损失掉，所以电流效率总是不能达到100%，即实际产量总是比理论产量低。目前国内先进铝电解技术的电流效率一般可达92%～94%。因此加强电解工艺研究，是提高电流效率和经济效益的根本途径。

1 铝电解过程的机理

自1886年以来，美国霍尔和法国埃鲁特发明的“冰晶石—氧化铝熔盐电解法”，就一直成为现代铝冶炼工业的技术基础。电解铝的实质：在通有高电流的电解槽中使熔融的电解质（NaAlF6-Al2O3熔体）在两极上发生氧化还原反应，其基本反应方程式为：

阴极反应：Al3++3e=Al

阳极反应：2O2-+C-4e=CO2

但是，在近1000℃电解温度下，NaAlF6—Al2O3熔体主要由Na+、、AlF4、F-及等离子构成 ，这些不同的离子在不同的生产条件下有不同的反应机理，使得电解工程十分复杂，至今还有不少争议，但不管何种机理，整个反应过程，都是消耗了Al2O3和C，总的反应方程式依然为：

2Al2O3+3C=4Al+3CO2

也正是因为电解质溶体中各种离子在电解过程中繁杂的电化学反应，直接影响了电解铝的电流效率，对电解机理的不断研究，也是为了寻求更加合理的电解工艺。

2 影响电流效率的主要因素及影响程度

2.1 主要因素

电解工程中，导致铝损失的因素主要有：1）铝的溶解和再氧化损；2）铝的不完全放电；3）其它离子放电；4）水的电解。除了机械损失外，铝的损失均与电解条件密切相关，如电解温度、电解质的组成、极距、电流密度及铝液的高度等。

2.1.1 电解温度对电流效率的影响

电解生产中直流电除了流过回路的电阻造成的电能损失外，部分补充电解生产中的热损失，其余部分才是使熔体中离子产生还原反应做有用功，即发生如下的氧化还原反应：+3e=Al+ 4F-

实际上在上述氧化还原进行的同时，在同样的电解条件下，同时进行着如下的反应：

这些反应引起电流做无用功，降低了电流效率，而在高温的情况下，这些反应加剧，故高温不利于电流效率的提高，另一方面，高温的情况下，电解出来的原铝又容易再次溶解进入电解质，然后发生二次氧化反应，即2Al+3CO2= Al2O3+ 3CO，电解出来的原铝向反方向进行氧化反应，引起电流效率的降低，温度越高二次反应越剧烈，下表为我厂工作状况比较稳定而槽温不同的六台电解槽，一个月内测量的槽温和实际电流效率的平均值，也证明了电解温度和电流效率之间的趋势关系。

2.1.2 分子比对电流效率的影响

降低分子比可以降低电解质的初晶温度，在电解槽温度不变的情况下，初晶温度的降低，相当于增加了反应的过热度，从而有利于正向氧化还原反应的顺利进行；随着分子比的降低，电解质的密度也相应降低，拉大了电解质和铝液的密度差，也有利于铝液从电解质中的分离，缩短了铝和NaAlF6-Al2O3熔体接触的时间，减少了二次逆向反应发生的几率，但过低的分子比会使电解质的黏度增加，不利于杂质的分离及Al2O3的溶解，降低了电解质的电导率，容易产生沉淀，影响电解生产的正常进行。

2.1.3 铝水平对电流效率的影响

铝水平和分子比的合理搭配，是保持电解槽热平衡的重要环节，较高的铝水平可以稳定磁场，填平槽底部高洼不平之处，使电流比较均匀的通过槽底，减少水平电流，降低了针振和电压摆发生的几率和幅度，并可以减少对阴极的侵蚀。因为铝是一种热的良导体，合理的铝水平既能保证电解槽底部热量的均衡分布，又能保证阳极底部的热量及时的散发出去，有利于调节降低槽温，减少二次反应，从而有利于提高电流效率。

2.1.4 极距对电流效率的影响

极距是指阳极底掌与铝液镜面之间的距离，极距较小时，使得溶解铝扩散到氧化区的距离短，有时阳极气体直接地将铝液面上的铝氧化。极距增大后，熔体的对流搅拌作用减弱，扩散层厚度增加，铝损失减少。但是当极距超过一定程度后，压降将明显升高，此时电能消耗大大提高，故通过提高极距来提高电流效率是有限的。

2.2 主要因素的影响程度分析

根据电解机理，各种条件对电解工程的影响不是孤立的，笔者仅就电解温度、分子比、铝水平对电流的影响做如下分析，根据以往的经验，对电解效率的影响可用伯奇—格洛泰姆方程[1]表述：

式中：t为电解质温度（℃）；

x为电解质中过剩的AlF3量（%量）；

h为铝水平，单位cm；

A为槽龄，单位月。

从上式可知，影响电流效率的主要因素为:电解温度、电解质的组成及铝水平等技术条件。

现以我厂200kA系列为例，分析上述参数对电流效率的影响程度。

表1 正常生产时的技术条件

公式（1）为多元方程，在分析单一因素对电流效率的影响程度时，首先要假定其它变量为一个恒定的值，如正常生产条件下为：

当任一条件发生变化以后的关系式为：

可知当任一条件的变化后，电流效率的变化值为

2.2.1 电解质温度波动对电流效率的影响程度

2.2.2 分子比波动对电流效率的影响程度

分子比K与电解质中过剩的AlF3量（XAlF3）之间的关系[2]可用公式（2）表述：

式中Σa——Al2O3和CaF2的百分含量，%；

根据我厂200KA系列的生产实践，Al2O3和CaF2在电解质中的百分含量应该为7.5%左右，即取Σa=7.5，则：分子比K1=2×1.29=2.58，K2=2×1.24=2.48

根据公式（2）可得：

则 Δη（%）=0.59（X2LF3- X1ALF3）=0.59×（7.16-5.66）=0.885（%）

2.2.3 铝水平波动对电流效率的影响程度

设h2-h1=19cm-17cm=2cm t1=t2X2=X1

则 Δη（%）=58.9［Sin(3h2)- Sin(3h1)］=58.9（Sin57-Sin51）=3.63%

综上所述，电解温度每降低10℃，可提高电流效率1.39%；电解质的分子比降低0.10，可提高电流效率0.89%；铝水平升高2cm，可提高电流效率3.63%。但是电解过程是个复杂多变的电化学反应过程，各种生产作业条件是相互影响、综合作用的，这些因素对电流效率的影响程度也不可能作简单的累加，上述计算分析，其目的是为了探询技术条件变化对电解过程的影响程度，以便于指导生产，确定合理的过程控制参数。

4 结论

电解过程反应机理复杂，影响因素很多，参照上述分析，同时结合我厂生产的实际经验，笔者认为，在保持较高电流密度、低氧化铝浓度、适中的电解温度及适当偏高的铝水平的条件下，可以有效的提高电流效率。

实际生产中，除了保持较高电流密度、低氧化铝浓度、适中的电解温度及适当偏高的铝水平外，从反应动力学的理论可知，只要有效的减缓反应的控制过程，就能减少二次反应，从而提高电流效率，这是研究提高电流效率的基本方向，这就要求我们在日常的生产中，要加强过程控制，提高操作水平，寻求最佳的电解参数，从而有效降低单位产量的能耗，提高企业的经济效益和产品竞争力。

[1]杨重愚主编.轻金属冶金学[M].冶金工业大学出版社，1998.

[2]邱竹贤主编.铝电解[M].冶金工业出版社，1998.

[3]冯乃祥.铝电解工艺[M].化学工业出版社，2006.