铝电解的电流效率

铝的电化当量值：
已知：1mol的铝为26.98154g，电解质熔体 中的铝为Al 3+，通入预焙槽1A的电流，通 入时间（电解时间）1h，根据法拉第定律 ，在阴极上析出率的质量
m=26.98154*1*3600/3/96485=0.3356g
第二节 关于电流损失
现在的理论和实践证明电流效率（CE） 很难超过98%，其原因是不可避免有若 干的电流损失。
第二节工业预焙槽上的电流效率问题
影响工业槽电流效率的因素： 温度过与热度 电解质组成 预焙槽设计及预焙槽操作
2.1温度与过热度电流效率的影响
电解温度是影响电流效率的最重要因素， 电解温度=电解质的初晶温度（或熔化温 度）+过热度，温度主要对铝的二次反应 起作用，一般是温度降低，二次反应减少 。通过对不同系列的工业预焙槽进行统计 ，得出的结论是：温度降低5～6℃，电流 效率可提高1%。
2.2 钠的二次反应损失 i2
电解过程中钠析出消耗的电流，而析出的钠被再氧化而损失 ，用 i2 表示
6Na(溶) + 3CO2(气) + 2AlF3(溶) = 6NaF(溶) + Al2O3 + 3CO(气)
由于Na+离子是电解质中传递电流的主要载体，它富集在阴极区 的边界层，当阴极电流密度提高时，析出的Na 进入铝和电解质 中，当遇到CO2 时即被氧化而损失。因此，现代炼铝技术中，有 的工厂通过铝中钠的含量或槽内靠近铝液区的电解质中钠的含量 来表示电流效率的大小 。现代预焙槽由于磁场的平衡，铝液的 流动减慢，同时对铝液面的干扰减少，减缓了Na+由边界层向电 解质中的扩散，减少了Na 的氧化损失。因此，在边界层，Na+ 的浓度比较高，这种槽的电流效率将会很高，同时，边界层的 Na+含量高，也表明铝液镜面很稳定，电流效率也会很高。
Al4C3(溶) + 6CO2(气) = 2Al2O3(溶) + 3C(固) + 6CO(气)
Al4C3的生成也是阴极内衬破损的主要原因之一
2.4电子导电性 i4
电子导电性主要是由溶解的钠引起的。 金属溶解在自身的熔盐中，容易形成“ 色心”，它具有电子导电性。因此，电 解质具有微弱的电子导电性。电子导电 性形同短路，这样引起的电流损失估计 在1～2%左右。研究表明，降低温度， 减小AlF3含量，将减小电解质的电子导 电性，有利于提高电流效率。
第五章 铝电解的电流效率
重庆旗能电铝有限公司 生产准备部 王民
第一节 概述
电流效率是铝电解生产最重要的技术经 济指标之一，20 多年来，对提高电流效 率的研究，从理论到实践都有了很大的 进展。 当前，最好的预焙阳极铝预焙槽 年平均电流效率略大于96%，表1介绍了 两种经典槽型的技术参数以及旗能槽型 的设计参数。
表1 现代工业铝预焙槽的电流效率和其他重要指标
1.1电流效率的定义
电流效率是单位时间电解产出铝的质量与按 法拉第定律计算的理论产出量之比，即：
CE =W实/W理×100% 式中：W理 = 0.3356×I×t= 0.3356 kg·kA-1·h-1
I 为电流强度，A； t 为时间，小时； 0.3356 为Al 的电化当量。
1.2 铝的电化当量wenku.baidu.com
1、铝的电化学当量定义是电流为1A、电 解时间为1h时，阴极上所析出的铝量， 它是根据法拉第定律推导出来的。
法拉第第一定律：在电解过程中，阴极 上还原物质析出的量与所通过的电流强 度和通电时间成正比。
法拉第第二定律：
电解过程中，通过的电量相同，所析出或溶解出的不 同物质的物质的量相同。也可以表述为：电解1mol的 物质，所需用的电量都是1个“法拉第”(F)， 1F=96485C
2.5杂质引起的损失 i5
分子比为2.5，氧化铝为4～6％，CaF2 为5％ 的电解质中，在980℃情况下的研究结果指出 ，大多数杂质都以单价态存在于电解质中，在 含量很低的情况下，Mg、Ba 和B 对电流效率 几乎无影响；SnO2也无影响；而多价态的杂 质离子Fe、P、V、Si、Zn、Ti 和Ga 等随着它 们在电解质中浓度的增加，电流效率呈直线降 低。电解质中这些杂质的阳离子每增加0.01％ ，电流效率降低0.1～0.7％。P 离子是最为有 害的，它以低价态到阳极氧化为高价态，转移 到阴极后还原为低价态，反复的氧化还原，增 大了电流损失。大多数杂质离子引起电流效率 降低也是由于在阴极和阳极/二氧化碳界面上 的反复氧化-还原所造成的。
2.6阴极和阳极之间的瞬时短路 i6
这是操作不慎而发生的，在更换阳极或出铝时 ，误使阳极同铝液接触造成瞬时短路而引起的 电流损失。
2.7铝或钠渗透进预焙槽的内衬材料而引起的电流 损失i7
在预焙槽没有发生漏电的情况下，电流总损失（ i 损）为上述7 项之和，即
i 损= i1+ i2+ i3+ i4+ i5+i6+ i7
电流损失主要是两大方面，即铝的二次 反应损失和钠的二次反应损失，共七个 项目 。
2.1铝的二次反应损失 i1
这种损失是最主要的设为i1，其反应式为
2Al(溶) + 3CO2(气) = Al2O3 + 3CO(气) 其动力学机理为：Al 从铝液/电解质的界 面上转移至电解质本体，这种溶解的Al 再经过电解质转移到阳极/电解质界面， 溶解的Al 被CO2所氧化并生成CO
结合第一定律也可以说用相同的电量通过不同的电解 质溶液时，在电极上析出(或溶解)的物质与它们的物 质的量成正比。
结合法拉第第一和第二定律，得出电解
时，电极上发生化学反应的物质的质量 和通过电解池的电量成正比。可用下列 公式定量表示：
m=MQ/nF=MIt/nF
式中m为电极上发生化学反应的物质的 质量(kg)，M为反应物质的摩尔质量 (kg·mol-1)，Q为电量(C)， F为法拉第常 数(96485C·mol-1)， n为电极反应计量方 程式中电子的计量系数，t为时间(s)，I 为电流强度(A)。
2.3 Al4C3的生成和氧化 i3
反应为：4Al(溶) + 3C(固) = Al4C3(固)
通常发生在与铝液接触的阴极碳块上，也会发 生在没有电解质炉帮保护的侧部碳块上。当槽 内铝液水平降低时，生成的Al4C3与电解质接 触，发生溶解，Al4C3在电解质的最大溶解度 （分子比为1.8 时）为2.15%，而后，遭遇阳 极气体或空气作用而氧化，其反应为：