電解鋁降低陽極碳耗的途徑與措施

姚惠雄

（山西兆豐鋁電公司電解鋁分公司，山西 陽泉 045209）

1 碳陽極消耗機理

1.1 碳陽極電化學消耗

利用冰晶石—氧化鋁熔體電解法這種化學原理進行對鋁的生產制造過程，它的主要化學反應過程為在碳陽極通以直流電，并將氧化鋁置于陽極進行化學反應。在電解的條件下，生成鋁。在這個化學反應的過程中，主要的化學方程式為：

化學方程式（1）：可以等效于在100%電流效率下進行的鋁的反應，理論上生產1mol鋁需要消耗333kg的碳陽極。

化學方程式（2）：可以等效于在75%電流效率下進行的鋁的反應，理論上生產1mol鋁需要消耗444kg的碳陽極。

化學方程式（3）：可以等效于在50%電流效率下進行的鋁的反應，理論上生產1mol鋁需要消耗666kg的碳陽極。

根據如上所示的三個電解方程式，根據反應進行的程度，結合相應的電流效率以及碳陽極的消耗量以及生成的氣體二氧化碳的種類，可以繪制出如下的曲線關系圖1所示：

圖1 陽極碳耗與電流效率、陽極氣體中CO2重量百分比之間關系曲線圖

并且對于三個反應式相討論得知，經過分析計算，發展當電流效率為100%時，消耗碳陽極333kg，這時反應最充分。但由于在反應過程中，隨著反應的進行程度，熔融電解質中生成的鋁霧會與反應生成的二氧化碳再次發生化學反應（2Al(熔融)+3CO2(氣 )=Al2O3(熔融)+3CO(氣)），這就造成一定的鋁的消耗，從而導致電流效率的明顯降低。并且，在這個化學反應中，陽極化學反應消耗碳陽極的質量為333/ηkg/t-Al(η為電流效率)。

1.2 碳陽極過量消耗

經過對碳陽極電化學消耗的質量進行討論得，理想化學反應中，對碳陽極的消耗量為333/ηkg/t-Al(η為電流效率)，則此時稱多與消耗的碳陽極質量為過量消耗。這種消耗過程中，主要是由于電解槽陽極碳塊頂部在逐漸產生電解反應，從而致使碳陽極上的不發生化學反應的部分與空氣中氧氣接觸，從而產生化學反應，反應方程式如下：

并且，通過查閱資料，可以發現，在電解碳陽極的化學反應過程中，反應溫度在300℃～350℃時，碳陽極側部便會開始與空氣中接觸的氧氣開始反應，并且，反應的進行程度陽極的氧化鋁的材質分布的密度有關。并且當溫度低于727℃時主要發生的化學反應為方程（4），而當溫度高于727℃，則為方程（5）為主要考慮的反應進行的程度。在碳陽極電解鋁的反應條件下，反應溫度一般小于427℃，故這個溫度已經可以保障碳陽極側面可以與空氣中的氧氣進行氧化反應。并且，由于電解過程中，生成了大量的二氧化碳氣體，這就導致大量的氣體雜質的產生，而這些由于電解反應產生的氣體雜質會對碳與空氣的化學反應產生一定的催化作用。而這一反應在催化劑的作用下會明顯加快反應速度。并且，對于冰晶石—氧化鋁熔體電解法生產鋁的過程中，經常采用的電解槽材質為預焙陽極鋁電解槽，并且在整個過程中反應。

1.3 碳陽極凈耗與U、V值的計算

整個的鋁電解總的反應方程式，如方程式（6）-（10）所示：

電流效率：

并且借用這些方程式，可以很好的計算出碳陽極凈耗與U、V值之間的關系。當知道電解反應的碳陽極消耗量時，可以進而求得反應的U、V值。

2 降低碳陽極消耗途徑與措施

2.1 提高陽極電流密度

由于我國現行的各種工業手段進行電解鋁生產已知采用的為低密度陽極密度，這就導致我國的陽極凈耗量以及生成鋁的量都不如國外的高。并且由于氧化現象的存在，以及受碳陽極消耗的各種因素的影響，這就導致更為大量的碳陽極的消耗結果以及反應速率的明顯降低。因此要制定有效手段來，通過使用較高的陽極電流密度的措施，來降低碳陽極損耗度，得到更多的反應后的鋁制品。

2.2 優化陽極的設計

由于碳陽極的幾何形狀可以對電解反應的進行程度產生較大的影響。因此，就需要對陽極碳塊進行必要的優化設計手段，以保證在相同電流、電壓的前提下，生成更多的鋁制品，有效的降低碳陽極的損耗。研究表明，我國現行的鋁電解槽使用規模開始逐漸加大，但是這種大面積的電解槽會導致產生的CO2氣體的排除，進而影響反應速率的降低。以此，在設計中，就提出了對碳陽極的優化設計步驟，以便二氧化碳有更好的排出。

2.3 加強陽極操作與維護

由于整個電解反應過程中,主要進行的反應則為電解碳陽極，因此，這需要對碳陽極部位進行嚴格的操作與維護手段，才能保障電解反應的正常進行。為了減少碳陽極的損耗，可以進行的措施與手段有：對碳陽極進行加厚以及覆蓋保護膜的操作，及時對電解后的碳陽極進行更換；使用材料填滿碳塊頂部的空隙，避免使電解質與其反應。平時也要多注意對碳陽極操作過程的維護性，注意保護每一項碳陽極可能出現問題的環節，真正落實提升電化學電解反應制鋁的反應效率。

3 結語

針對冰晶石—氧化鋁熔體電解法制鋁進行分析，得出碳陽極的消耗與陽極的質量以及形狀設計都有關系，因此有關部門要積極的引進相應的設計型人才，提升談養殖的產品之質量，降低碳陽極空氣的滲透性，有效的降低反應的U、V值，從而減少各種不利于反映進行的因素的產生，提升我國制鋁業的更穩健發展。