氧化铝性质对电解生产的影响

发布时间:2020-04-20 15:58:35 星期一
摘要:

氧化铝降低电流效率的几个主要因素 影响电流效率主要是溶解在电解质中金属铝与CO2 产生逆反应。 r= k · […]

氧化铝降低电流效率的几个主要因素

影响电流效率主要是溶解在电解质中金属铝与CO2 产生逆反应。

r= k · CAl ,

式中CAl 金属在电解质中的溶解度, k 是界面上的质量传质系数。

如果槽底保持不干净,电流效率高不了,除非保持低的k。

如果电解质温度较高,也不可能达到最大的电流效率,因为CAl 与温度有关。

如果氧化铝的质量不稳定,电流效率也高不了,除非细粒度和超细粒子很低,同时具有较高的BET,但又不能太高。

氧化铝的质量中要严格控制P,因为P3+在阳极氧化,P5+在阴极还原。

氧化铝的浓度与电流效率的有关系

首先应该是电解质成分除氧化铝和氟化铝为变量外, 其它杂质含量基本是常数(即所有影响效率的)。

因此,电解质温度和过热度只受 Al2O3 和AlF3 的影响,如果能做到AlF3 基本不变,则电解质温度就只受 Al2O3%浓度的影响,这仍然属于温度对电流效率影响的原理。

氧化铝流动性好(细粉少)和砂状,其它物理和化学性质均符合要求,则氧化铝溶解快和分布均匀就使得电解槽各部位的氧化铝浓度基本一致或每个阳极下面的氧化铝都比较均匀,则电流效率必然较高。

氧化铝溶解与分布

Ⅰ.氧化铝的溶解本质上主要依靠温度差的传递,即 △t 。

Ⅱ.氧化铝溶解与分布的驱动也依靠:洛伦兹力和气泡。

Ⅲ.在 给定的设计条件下,解决氧化铝溶解率和分布均匀的问题只能依靠调整操作参数与之相适应,电流、电压、过热度(分子比和添加剂)、两熔体水平等。

Ⅳ.在设计既定条件下,如果内热不足,则调整过热度和输入能量,如热损失大,则只能实施外保温。

近年来随着电解槽不断的强化电流,阳极进行了对称式加长,致使中间和侧部的加料空间缩小,影响了氧化铝的快速溶解。因此,依靠速度场来帮助氧化铝的溶解是必要的。

近代电解槽试图在MHD可控的范围内,降低ACD.这些措施均缩小了电解质的体积或质量,为氧化铝的溶解和降低阳极效应带来困难。因此,有必要通过数学模型观察MHD耦合小气泡对氧化铝对流与扩散的过程进行研究。

小气泡是来自开槽的阳极。研究表明它与EMFs对氧化铝的溶解与分布起着十分重要的作用。

研究者也声明:影响氧化铝溶解与分布的因素是极为复杂的,例如电解质化学成分、温度、氧化铝的温度以及最重要氧化铝物理和化学性质等等。本文数学模型未叙述。

氧化铝溶解与分布的小结

传递过程:氧化铝分布或扩散与电解质温度密切相关。适当高的过热度对分布有利,过热度取决于电解质温度与电解质成分,

(1)输入能量提高电解质温度,故电压不可过低。

(2)初晶温度低但不能过低,即AlF3和 LiF不可过低,否则不仅降低了氧化铝溶解度,还引起槽帮融化,产生沉淀。

(3)有锂盐,分子比不能过低,至少2.5。

数学模型证实了氧化铝是通过在阳极下面有小气泡的条件下由洛伦兹力(MHD)促进溶解的。而大型电解槽的弊病是阳极尺寸大,在同等MHD下,排气阻力大于小型槽。

小气泡是由带槽阳极产生的,在电解质中由电磁效应(MHD)和/或小气泡产生的速度场对氧化铝的溶解与均匀分布起着关键的作用。

氧化铝的扩散与下料器:最佳的下料量,下料的位置,下料器的数量。而大型电解槽的弊病是单位KA的电解质量随着槽子的增大而减少,增加了电解质溶解氧化铝负担。

I.Bayer在加拿大1995年的CIM会议上就举例说明,阳极几何形状对气泡的排放和降低电解槽性能的影响,在AP30的电解槽上做了两块阳极合并成一个单阳极(不留缝隙)的试验,不幸的是噪声增加和电流效率降低4%,究其原因,阳极无缝,气泡变大难以排除。(2008.02.JOM,pp51-57)

侯飞瑞、谷万铎等人对开槽阳极的生产实践表明:电流效率提高+0.85%,电耗降低174kwh/t Al,槽帮增厚约1.5cm,说明生产稳定,更重要的是阳极效应的受控率由50%提高到80%,这说明小气泡对氧化铝的快速溶解有重要作用。

大型铝电解槽关键问题是氧化铝浓度均匀问题

大型铝电解槽操作的核心问题是氧化铝浓度分布不均,深入的认识氧化铝溶解过程、迁移过程是提高控制的基础。大型电解槽氧化铝浓度应控制在较高的水平。

出现非效应排放全氟化炭(NAE-PFC)或“局部效应”的概念,对大型铝电解槽平稳运行和控制具有重要意义,如何应对电解槽的NAE-PFC“局部效应”,是今后需要解决的重要问题。

解释了大型铝电解槽频繁出现电压摆的原因,认为调整铝电解阳极电流分布是解决电压摆的途径。

对于含有锂盐、钾盐的复杂电解质体系以及如何控制非效应排放全氟化炭(NAE-PFC)的的问题,采用何种氧化铝控制技术是炼铝工作者深入研究的课题

为了获得氧化铝的定量溶解,需要一个好的加料控制模型。加料过程中分为两个阶段:预热冷态物料和溶解阶段。预热每千克冷的氧化铝料需要0.25-0.3kwh/kg Al能量,而溶解的热焓(Enthalpy)所需的热量也基本与前者相当,因此,加料率就受到本身热能需求的限制,当物料成团或凝聚成块的情况下,需要的热量就更多了,而电流越大的电解槽单位千安的电解质量越少。 一个典型的电解槽,在电解质中非过程产生的热量供给率只有每平方米12-15kw/m2。在100%加料率的条件下,对于20cm宽度的中间加料通道而言,每平方米需要的热量是45-55kw/cm2。然而靠近下料点附近的电解质则是氧化铝浓度最高的地方,因此这个地方就需要更高的能量梯度,加强中间通道的电解质量、进行较好混合以及对于高电流的电解槽来讲增加电解质的过热度是非常必要的。而实际生产过程中,过量的加料是不可避免的,因此,增加沉淀的危险是存在的

下面有两个普通的方程式说明溶解吸热反应:

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

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

关于溶解动力学反应还可以用Thonstad,Johansen 和 Kristensen溶解率反应式表示(3):

溶解率=k(CAl2O3,饱和的)—CAl2O3,电解质) (3)

在运动的电解质中,虚拟的溶解率常数K取决于电解质成分(AlF63-),界面的接触面积,以及搅拌的程度或在溶解过程中原料的界面质量传质系数。当电解质中AlF3浓度升高或温度降低时,饱和溶解度CAl2O3,饱和的就降低。电解质中低的氧化铝浓度和避免高的氟化铝浓度都有助于氧化铝的溶解。界面质量传质系数对于传送冰晶石阴离子到氧化铝表面是非常重要的。