电解铝降低阳极碳耗的途径与措施

2018-12-12姚惠雄

世界有色金属 2018年19期

关键词：电流效率电解槽氧化铝

姚惠雄

（山西兆丰铝电公司电解铝分公司，山西阳泉 045209）

1 碳阳极消耗机理

1.1 碳阳极电化学消耗

利用冰晶石—氧化铝熔体电解法这种化学原理进行对铝的生产制造过程，它的主要化学反应过程为在碳阳极通以直流电，并将氧化铝置于阳极进行化学反应。在电解的条件下，生成铝。在这个化学反应的过程中，主要的化学方程式为：

化学方程式（1）：可以等效于在100%电流效率下进行的铝的反应，理论上生产1mol铝需要消耗333kg的碳阳极。

化学方程式（2）：可以等效于在75%电流效率下进行的铝的反应，理论上生产1mol铝需要消耗444kg的碳阳极。

化学方程式（3）：可以等效于在50%电流效率下进行的铝的反应，理论上生产1mol铝需要消耗666kg的碳阳极。

根据如上所示的三个电解方程式，根据反应进行的程度，结合相应的电流效率以及碳阳极的消耗量以及生成的气体二氧化碳的种类，可以绘制出如下的曲线关系图1所示：

图1 阳极碳耗与电流效率、阳极气体中CO2重量百分比之间关系曲线图

并且对于三个反应式相讨论得知，经过分析计算，发展当电流效率为100%时，消耗碳阳极333kg，这时反应最充分。但由于在反应过程中，随着反应的进行程度，熔融电解质中生成的铝雾会与反应生成的二氧化碳再次发生化学反应（2Al(熔融)+3CO2(气 )=Al2O3(熔融)+3CO(气)），这就造成一定的铝的消耗，从而导致电流效率的明显降低。并且，在这个化学反应中，阳极化学反应消耗碳阳极的质量为333/ηkg/t-Al(η为电流效率)。

1.2 碳阳极过量消耗

经过对碳阳极电化学消耗的质量进行讨论得，理想化学反应中，对碳阳极的消耗量为333/ηkg/t-Al(η为电流效率)，则此时称多与消耗的碳阳极质量为过量消耗。这种消耗过程中，主要是由于电解槽阳极碳块顶部在逐渐产生电解反应，从而致使碳阳极上的不发生化学反应的部分与空气中氧气接触，从而产生化学反应，反应方程式如下：

并且，通过查阅资料，可以发现，在电解碳阳极的化学反应过程中，反应温度在300℃～350℃时，碳阳极侧部便会开始与空气中接触的氧气开始反应，并且，反应的进行程度阳极的氧化铝的材质分布的密度有关。并且当温度低于727℃时主要发生的化学反应为方程（4），而当温度高于727℃，则为方程（5）为主要考虑的反应进行的程度。在碳阳极电解铝的反应条件下，反应温度一般小于427℃，故这个温度已经可以保障碳阳极侧面可以与空气中的氧气进行氧化反应。并且，由于电解过程中，生成了大量的二氧化碳气体，这就导致大量的气体杂质的产生，而这些由于电解反应产生的气体杂质会对碳与空气的化学反应产生一定的催化作用。而这一反应在催化剂的作用下会明显加快反应速度。并且，对于冰晶石—氧化铝熔体电解法生产铝的过程中，经常采用的电解槽材质为预焙阳极铝电解槽，并且在整个过程中反应。

1.3 碳阳极净耗与U、V值的计算

整个的铝电解总的反应方程式，如方程式（6）-（10）所示：

电流效率：

并且借用这些方程式，可以很好的计算出碳阳极净耗与U、V值之间的关系。当知道电解反应的碳阳极消耗量时，可以进而求得反应的U、V值。

2 降低碳阳极消耗途径与措施

2.1 提高阳极电流密度

由于我国现行的各种工业手段进行电解铝生产已知采用的为低密度阳极密度，这就导致我国的阳极净耗量以及生成铝的量都不如国外的高。并且由于氧化现象的存在，以及受碳阳极消耗的各种因素的影响，这就导致更为大量的碳阳极的消耗结果以及反应速率的明显降低。因此要制定有效手段来，通过使用较高的阳极电流密度的措施，来降低碳阳极损耗度，得到更多的反应后的铝制品。

2.2 优化阳极的设计

由于碳阳极的几何形状可以对电解反应的进行程度产生较大的影响。因此，就需要对阳极碳块进行必要的优化设计手段，以保证在相同电流、电压的前提下，生成更多的铝制品，有效的降低碳阳极的损耗。研究表明，我国现行的铝电解槽使用规模开始逐渐加大，但是这种大面积的电解槽会导致产生的CO2气体的排除，进而影响反应速率的降低。以此，在设计中，就提出了对碳阳极的优化设计步骤，以便二氧化碳有更好的排出。

2.3 加强阳极操作与维护

由于整个电解反应过程中,主要进行的反应则为电解碳阳极，因此，这需要对碳阳极部位进行严格的操作与维护手段，才能保障电解反应的正常进行。为了减少碳阳极的损耗，可以进行的措施与手段有：对碳阳极进行加厚以及覆盖保护膜的操作，及时对电解后的碳阳极进行更换；使用材料填满碳块顶部的空隙，避免使电解质与其反应。平时也要多注意对碳阳极操作过程的维护性，注意保护每一项碳阳极可能出现问题的环节，真正落实提升电化学电解反应制铝的反应效率。