氧化鋁性質對電解生產的影響

發布時間:2020-04-20 15:58:35 星期一
摘要:

氧化鋁降低電流效率的幾個主要因素 影響電流效率主要是溶解在電解質中金屬鋁與CO2 產生逆反應。 r= k · […]

氧化鋁降低電流效率的幾個主要因素

影響電流效率主要是溶解在電解質中金屬鋁與CO2 產生逆反應。

r= k · CAl ,

式中CAl 金屬在電解質中的溶解度, k 是界面上的質量傳質系數。

如果槽底保持不干凈,電流效率高不了,除非保持低的k。

如果電解質溫度較高,也不可能達到最大的電流效率,因為CAl 與溫度有關。

如果氧化鋁的質量不穩定,電流效率也高不了,除非細粒度和超細粒子很低,同時具有較高的BET,但又不能太高。

氧化鋁的質量中要嚴格控制P,因為P3+在陽極氧化,P5+在陰極還原。

氧化鋁的濃度與電流效率的有關系

首先應該是電解質成分除氧化鋁和氟化鋁為變量外, 其它雜質含量基本是常數(即所有影響效率的)。

因此,電解質溫度和過熱度只受 Al2O3 和AlF3 的影響,如果能做到AlF3 基本不變,則電解質溫度就只受 Al2O3%濃度的影響,這仍然屬于溫度對電流效率影響的原理。

氧化鋁流動性好(細粉少)和砂狀,其它物理和化學性質均符合要求,則氧化鋁溶解快和分布均勻就使得電解槽各部位的氧化鋁濃度基本一致或每個陽極下面的氧化鋁都比較均勻,則電流效率必然較高。

氧化鋁溶解與分布

Ⅰ.氧化鋁的溶解本質上主要依靠溫度差的傳遞,即 △t 。

Ⅱ.氧化鋁溶解與分布的驅動也依靠:洛倫茲力和氣泡。

Ⅲ.在 給定的設計條件下,解決氧化鋁溶解率和分布均勻的問題只能依靠調整操作參數與之相適應,電流、電壓、過熱度(分子比和添加劑)、兩熔體水平等。

Ⅳ.在設計既定條件下,如果內熱不足,則調整過熱度和輸入能量,如熱損失大,則只能實施外保溫。

近年來隨著電解槽不斷的強化電流,陽極進行了對稱式加長,致使中間和側部的加料空間縮小,影響了氧化鋁的快速溶解。因此,依靠速度場來幫助氧化鋁的溶解是必要的。

近代電解槽試圖在MHD可控的范圍內,降低ACD.這些措施均縮小了電解質的體積或質量,為氧化鋁的溶解和降低陽極效應帶來困難。因此,有必要通過數學模型觀察MHD耦合小氣泡對氧化鋁對流與擴散的過程進行研究。

小氣泡是來自開槽的陽極。研究表明它與EMFs對氧化鋁的溶解與分布起著十分重要的作用。

研究者也聲明:影響氧化鋁溶解與分布的因素是極為復雜的,例如電解質化學成分、溫度、氧化鋁的溫度以及最重要氧化鋁物理和化學性質等等。本文數學模型未敘述。

氧化鋁溶解與分布的小結

傳遞過程:氧化鋁分布或擴散與電解質溫度密切相關。適當高的過熱度對分布有利,過熱度取決于電解質溫度與電解質成分,

(1)輸入能量提高電解質溫度,故電壓不可過低。

(2)初晶溫度低但不能過低,即AlF3和 LiF不可過低,否則不僅降低了氧化鋁溶解度,還引起槽幫融化,產生沉淀。

(3)有鋰鹽,分子比不能過低,至少2.5。

數學模型證實了氧化鋁是通過在陽極下面有小氣泡的條件下由洛倫茲力(MHD)促進溶解的。而大型電解槽的弊病是陽極尺寸大,在同等MHD下,排氣阻力大于小型槽。

小氣泡是由帶槽陽極產生的,在電解質中由電磁效應(MHD)和/或小氣泡產生的速度場對氧化鋁的溶解與均勻分布起著關鍵的作用。

氧化鋁的擴散與下料器:最佳的下料量,下料的位置,下料器的數量。而大型電解槽的弊病是單位KA的電解質量隨著槽子的增大而減少,增加了電解質溶解氧化鋁負擔。

I.Bayer在加拿大1995年的CIM會議上就舉例說明,陽極幾何形狀對氣泡的排放和降低電解槽性能的影響,在AP30的電解槽上做了兩塊陽極合并成一個單陽極(不留縫隙)的試驗,不幸的是噪聲增加和電流效率降低4%,究其原因,陽極無縫,氣泡變大難以排除。(2008.02.JOM,pp51-57)

侯飛瑞、谷萬鐸等人對開槽陽極的生產實踐表明:電流效率提高+0.85%,電耗降低174kwh/t Al,槽幫增厚約1.5cm,說明生產穩定,更重要的是陽極效應的受控率由50%提高到80%,這說明小氣泡對氧化鋁的快速溶解有重要作用。

大型鋁電解槽關鍵問題是氧化鋁濃度均勻問題

大型鋁電解槽操作的核心問題是氧化鋁濃度分布不均,深入的認識氧化鋁溶解過程、遷移過程是提高控制的基礎。大型電解槽氧化鋁濃度應控制在較高的水平。

出現非效應排放全氟化炭(NAE-PFC)或“局部效應”的概念,對大型鋁電解槽平穩運行和控制具有重要意義,如何應對電解槽的NAE-PFC“局部效應”,是今后需要解決的重要問題。

解釋了大型鋁電解槽頻繁出現電壓擺的原因,認為調整鋁電解陽極電流分布是解決電壓擺的途徑。

對于含有鋰鹽、鉀鹽的復雜電解質體系以及如何控制非效應排放全氟化炭(NAE-PFC)的的問題,采用何種氧化鋁控制技術是煉鋁工作者深入研究的課題

為了獲得氧化鋁的定量溶解,需要一個好的加料控制模型。加料過程中分為兩個階段:預熱冷態物料和溶解階段。預熱每千克冷的氧化鋁料需要0.25-0.3kwh/kg Al能量,而溶解的熱焓(Enthalpy)所需的熱量也基本與前者相當,因此,加料率就受到本身熱能需求的限制,當物料成團或凝聚成塊的情況下,需要的熱量就更多了,而電流越大的電解槽單位千安的電解質量越少。 一個典型的電解槽,在電解質中非過程產生的熱量供給率只有每平方米12-15kw/m2。在100%加料率的條件下,對于20cm寬度的中間加料通道而言,每平方米需要的熱量是45-55kw/cm2。然而靠近下料點附近的電解質則是氧化鋁濃度最高的地方,因此這個地方就需要更高的能量梯度,加強中間通道的電解質量、進行較好混合以及對于高電流的電解槽來講增加電解質的過熱度是非常必要的。而實際生產過程中,過量的加料是不可避免的,因此,增加沉淀的危險是存在的

下面有兩個普通的方程式說明溶解吸熱反應:

Na3AlF6(l)+2Al2O3(s)--3Na2AlO2F4 (dissolved) (1)

4Na3AlF6(l)+Al2O3(s)--Na2AlO2F4 (dissolved) + 6NaF(l)(2)

關于溶解動力學反應還可以用Thonstad,Johansen 和 Kristensen溶解率反應式表示(3):

溶解率=k(CAl2O3,飽和的)—CAl2O3,電解質) (3)

在運動的電解質中,虛擬的溶解率常數K取決于電解質成分(AlF63-),界面的接觸面積,以及攪拌的程度或在溶解過程中原料的界面質量傳質系數。當電解質中AlF3濃度升高或溫度降低時,飽和溶解度CAl2O3,飽和的就降低。電解質中低的氧化鋁濃度和避免高的氟化鋁濃度都有助于氧化鋁的溶解。界面質量傳質系數對于傳送冰晶石陰離子到氧化鋁表面是非常重要的。