姚惠雄

（山西兆豐鋁電公司電解鋁分公司，山西 陽(yáng)泉 045209）

1 碳陽(yáng)極消耗機(jī)理

1.1 碳陽(yáng)極電化學(xué)消耗

利用冰晶石—氧化鋁熔體電解法這種化學(xué)原理進(jìn)行對(duì)鋁的生產(chǎn)制造過(guò)程，它的主要化學(xué)反應(yīng)過(guò)程為在碳陽(yáng)極通以直流電，并將氧化鋁置于陽(yáng)極進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。在電解的條件下，生成鋁。在這個(gè)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中，主要的化學(xué)方程式為：

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

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

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

根據(jù)如上所示的三個(gè)電解方程式，根據(jù)反應(yīng)進(jìn)行的程度，結(jié)合相應(yīng)的電流效率以及碳陽(yáng)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(guān)系圖1所示：

圖1 陽(yáng)極碳耗與電流效率、陽(yáng)極氣體中CO2重量百分比之間關(guān)系曲線圖

并且對(duì)于三個(gè)反應(yīng)式相討論得知，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，發(fā)展當(dāng)電流效率為100%時(shí)，消耗碳陽(yáng)極333kg，這時(shí)反應(yīng)最充分。但由于在反應(yīng)過(guò)程中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行程度，熔融電解質(zhì)中生成的鋁霧會(huì)與反應(yīng)生成的二氧化碳再次發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（2Al(熔融)+3CO2(氣 )=Al2O3(熔融)+3CO(氣)），這就造成一定的鋁的消耗，從而導(dǎo)致電流效率的明顯降低。并且，在這個(gè)化學(xué)反應(yīng)中，陽(yáng)極化學(xué)反應(yīng)消耗碳陽(yáng)極的質(zhì)量為333/ηkg/t-Al(η為電流效率)。

1.2 碳陽(yáng)極過(guò)量消耗

經(jīng)過(guò)對(duì)碳陽(yáng)極電化學(xué)消耗的質(zhì)量進(jìn)行討論得，理想化學(xué)反應(yīng)中，對(duì)碳陽(yáng)極的消耗量為333/ηkg/t-Al(η為電流效率)，則此時(shí)稱多與消耗的碳陽(yáng)極質(zhì)量為過(guò)量消耗。這種消耗過(guò)程中，主要是由于電解槽陽(yáng)極碳?jí)K頂部在逐漸產(chǎn)生電解反應(yīng)，從而致使碳陽(yáng)極上的不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的部分與空氣中氧氣接觸，從而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

并且，通過(guò)查閱資料，可以發(fā)現(xiàn)，在電解碳陽(yáng)極的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)溫度在300℃～350℃時(shí)，碳陽(yáng)極側(cè)部便會(huì)開始與空氣中接觸的氧氣開始反應(yīng)，并且，反應(yīng)的進(jìn)行程度陽(yáng)極的氧化鋁的材質(zhì)分布的密度有關(guān)。并且當(dāng)溫度低于727℃時(shí)主要發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為方程（4），而當(dāng)溫度高于727℃，則為方程（5）為主要考慮的反應(yīng)進(jìn)行的程度。在碳陽(yáng)極電解鋁的反應(yīng)條件下，反應(yīng)溫度一般小于427℃，故這個(gè)溫度已經(jīng)可以保障碳陽(yáng)極側(cè)面可以與空氣中的氧氣進(jìn)行氧化反應(yīng)。并且，由于電解過(guò)程中，生成了大量的二氧化碳?xì)怏w，這就導(dǎo)致大量的氣體雜質(zhì)的產(chǎn)生，而這些由于電解反應(yīng)產(chǎn)生的氣體雜質(zhì)會(huì)對(duì)碳與空氣的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生一定的催化作用。而這一反應(yīng)在催化劑的作用下會(huì)明顯加快反應(yīng)速度。并且，對(duì)于冰晶石—氧化鋁熔體電解法生產(chǎn)鋁的過(guò)程中，經(jīng)常采用的電解槽材質(zhì)為預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽，并且在整個(gè)過(guò)程中反應(yīng)。

1.3 碳陽(yáng)極凈耗與U、V值的計(jì)算

整個(gè)的鋁電解總的反應(yīng)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(jì)算出碳陽(yáng)極凈耗與U、V值之間的關(guān)系。當(dāng)知道電解反應(yīng)的碳陽(yáng)極消耗量時(shí)，可以進(jìn)而求得反應(yīng)的U、V值。

2 降低碳陽(yáng)極消耗途徑與措施

2.1 提高陽(yáng)極電流密度

由于我國(guó)現(xiàn)行的各種工業(yè)手段進(jìn)行電解鋁生產(chǎn)已知采用的為低密度陽(yáng)極密度，這就導(dǎo)致我國(guó)的陽(yáng)極凈耗量以及生成鋁的量都不如國(guó)外的高。并且由于氧化現(xiàn)象的存在，以及受碳陽(yáng)極消耗的各種因素的影響，這就導(dǎo)致更為大量的碳陽(yáng)極的消耗結(jié)果以及反應(yīng)速率的明顯降低。因此要制定有效手段來(lái)，通過(guò)使用較高的陽(yáng)極電流密度的措施，來(lái)降低碳陽(yáng)極損耗度，得到更多的反應(yīng)后的鋁制品。

2.2 優(yōu)化陽(yáng)極的設(shè)計(jì)

由于碳陽(yáng)極的幾何形狀可以對(duì)電解反應(yīng)的進(jìn)行程度產(chǎn)生較大的影響。因此，就需要對(duì)陽(yáng)極碳?jí)K進(jìn)行必要的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yáng)極的損耗。研究表明，我國(guó)現(xiàn)行的鋁電解槽使用規(guī)模開始逐漸加大，但是這種大面積的電解槽會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的CO2氣體的排除，進(jìn)而影響反應(yīng)速率的降低。以此，在設(shè)計(jì)中，就提出了對(duì)碳陽(yáng)極的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟，以便二氧化碳有更好的排出。

2.3 加強(qiáng)陽(yáng)極操作與維護(hù)

由于整個(gè)電解反應(yīng)過(guò)程中,主要進(jìn)行的反應(yīng)則為電解碳陽(yáng)極，因此，這需要對(duì)碳陽(yáng)極部位進(jìn)行嚴(yán)格的操作與維護(hù)手段，才能保障電解反應(yīng)的正常進(jìn)行。為了減少碳陽(yáng)極的損耗，可以進(jìn)行的措施與手段有：對(duì)碳陽(yáng)極進(jìn)行加厚以及覆蓋保護(hù)膜的操作，及時(shí)對(duì)電解后的碳陽(yáng)極進(jìn)行更換；使用材料填滿碳?jí)K頂部的空隙，避免使電解質(zhì)與其反應(yīng)。平時(shí)也要多注意對(duì)碳陽(yáng)極操作過(guò)程的維護(hù)性，注意保護(hù)每一項(xiàng)碳陽(yáng)極可能出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán)節(jié)，真正落實(shí)提升電化學(xué)電解反應(yīng)制鋁的反應(yīng)效率。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)冰晶石—氧化鋁熔體電解法制鋁進(jìn)行分析，得出碳陽(yáng)極的消耗與陽(yáng)極的質(zhì)量以及形狀設(shè)計(jì)都有關(guān)系，因此有關(guān)部門要積極的引進(jìn)相應(yīng)的設(shè)計(jì)型人才，提升談養(yǎng)殖的產(chǎn)品之質(zhì)量，降低碳陽(yáng)極空氣的滲透性，有效的降低反應(yīng)的U、V值，從而減少各種不利于反映進(jìn)行的因素的產(chǎn)生，提升我國(guó)制鋁業(yè)的更穩(wěn)健發(fā)展。