VoL21 No.2 卢惠民等：低温AlO悬浮电解新工艺的研究 ·155· 零，同样保持产物铝表面积S不变，电流效率则随 TB2阴极处 铜阳极 槽电流I增加而增大.式(4)中，令K=3FkAC, 得： 1/1-n)=(1/KSI (5) 不锈钢套 刚玉坩埚 为了求得式(5)的斜率1/KS,在20~80A范 围内变化槽电流，电解温度取750℃，测定相应的 电解质 7值，经线性回归，相关系数r=0.9884,得关系 液体AI 刚玉汇铝池 式： 1/1-7)=-0.0468+0.07471 (6) 实验中当槽电流I=50A,电解4h,得到电流 效率为75%，产物铝球的直径为3.5cm,S=38.5 图2100A电解槽 cm2,并由式(5)和式(6)得K=0.384A·cm2,则 n=100-34.8/IS(%) (7) 2实验结果和讨论 2.2100A电解槽的综合实验 2.120~80A电解槽的实验 表1列出了100A电解槽的电流效率、槽电压 及能耗的测量结果.实验条件：槽电流I=100A, 实验条件：电流强度为50A,阳极电流密度 为0.63A·cm2,阴极电流密度为0.64A·cm-2, 阴极电极密度d=0.81A·cm-2,阳极电密度 电解温度750℃，电解时间4h.在上述条件下得 d=0.35A·cm-2,w(y-AL0,)=10%,电解温度 T=1023K,电解时间t=4h. 电流效率为75%.电流效率较低的主要原因是在 电解槽中，铝滴沉降在铜阳极上与阳极气体O,发 表1100A电解槽的实验结果 生逆反应所致. 实验号 n/% 槽电压/V能耗kW·h· 用R表示A1和O,发生逆反应的速度， 1 85.3 3.4 11.88 mol·s1;k表示熔融铝液在电解质中的扩散系 2 86.6 3.5 12.04 数，cm2·s';S表示电解产物铝呈球状时的表面 3 87.1 3.4 11.63 积，cm2;△C表示单位熔体中熔融A1的浓度梯度， 平均 86.3 3.4 11.73 mol·cm3,则 ·制取1kgA的能耗 R=kSAC (1) 对于电解产物铝球来说，电解过程中其表面 100A电解槽中阳极做成“L”型，它的作用是 上各处的k值是不同的，尤其是在铝球下方，与 使电解过程中不断产生的O,气泡用来保持ALO O2接触的机会最多，但为了问题的简化，假定铝 悬浮，这样，AL,O,就会不断地在阳极上放电，产 生大量铝离子；这些铝离子又被迁移到阴极上放 球表面上各处的k值均相同，并且溶解的A1在逆 电，得到金属铝.槽上的电极按阳一阴一阳交替 反应中全部变为A3+.若逆反应电流强度用I,表 排列，阳极电流密度小，不会产生过量的0，气泡， 示，单位为A,于是： =3FkSAC 使电解质循环速度太快，以致波及到TB,阴极表 (2) 面，造成A1液的大量损失使电流效率低，在电解 n=(I-)/I (3) 过程中，AI液不断地从TB,阴极上聚集成较大滴 n=1-3Fk△C(S/D (4) 后穿过阳极与阴极的间隙，沉降在汇铝池中. 式中：n为电流效率，%：I为槽电流，A;F为法拉第 如果按上述结果推广到电流容量为200kA 常数，96485C·mol. 假定kAC随槽电流变化而保持不变，从式4 A1,O,悬浮电解槽，电极形式同100A电解槽，保 持电解过程中液体铝不断排出槽外，电流密度在 可以看出，电流效率随S/I值变小而增大，如果 保持槽电流I不变，n随S增大而变小，如果把产 0.5~0.8A·cm-2范围内，槽电压为3.5V,按照 式(7)计算，若保持产物铝表面积S为5747~ 物铝不断从槽内取出（最好是连续排出槽外），电 57471cm2,理论计算的电流效率则可达99%~ 流效率理论上可增大到100%；如果把产物铝的 表面积增大到一定程度，电流效率可能减小到 90%,每kgA1的能耗为10.5~11.6kW·h.卢惠 民等 低温 悬 浮 电解 新工 艺的研究 沮 阴 铜 阳极 不锈钢套 刚玉增祸 电解质 刚玉 汇铝池 十 闷目 ’一 尸一一 ‘ 口 口， 户 · · 尹一一 已二 网 女 丁 薯 习 ， 区 、 、 ‘ 、 、 韭 亚 义 图 电解摘 实验结果和讨论 一 电解槽的实验 实验条件 电流 强 度为 ， 阳极 电流 密 度 为 · 一 ， 阴极 电流密度为 · 一 ， 电解 温 度 ℃ ， 电解 时 间 在 上 述 条件下 得 电流 效 率 为 电流效率较低 的 主要 原 因是 在 电解槽 中 ， 铝滴沉降在铜 阳极上 与 阳极气体 发 生逆反 应所致 用 表 示 和 发 生 逆 反 应 的 速 度 ， · 一 ’ 表 示 熔 融 铝 液 在 电解 质 中 的 扩 散 系 数 ， ， · 一 ’ 表示 电解 产物铝呈 球状 时 的表 面 积 ， △ 表示 单位熔体 中熔融 的浓度梯度 ， · 一 ， 则 超△ 对于 电解 产物铝 球来说 ， 电解 过程 中其表 面 上 各 处 的 值是 不 同 的 ， 尤 其是 在 铝 球 下 方 ， 与 接 触 的机 会 最多 ， 但 为 了 问题 的简化 ， 假 定 铝 球表 面上各处的 值均相 同 ， 并且溶解 的 在逆 反 应 中全部变 为 ， 若逆反 应 电流强度用 表 示 ， 单位 为 ， 于是 几 卢’ △ 叮 一 几 叮 一 卢’ △ 刀 式 中 ，为 电流 效率 ， 为槽 电流 ， 为法拉第 常数 ， 一 ‘ 假 定 初 随槽 电流 变 化而 保持不 变 ， 从式 可 以 看 出 ， 电 流 效 率 随 值 变 小 而 增 大 ， 如 果 保 持 槽 电流 不 变 ， 粉随 增 大 而 变 小 如 果 把 产 物 铝 不 断从槽 内取 出 最 好是 连 续 排 出槽 外 ， 电 流 效 率理 论上 可 增 大 到 如 果 把 产 物 铝 的 表 面 积 增 大 到 一 定 程 度 ， 电 流 效 率 可 能 减 小 到 零 同样保持产物 铝 表面 积 不 变 ， 电流效率则 随 槽 电 流 增 加 而 增 大 式 中 ， 令 ’ △， 得 一 叮 习 为 了 求 得 式 的斜 率 ， 在 一 范 围 内变 化槽 电流 ， 电解 温 度 取 ℃ ， 测 定相 应 的 粉值 ， 经 线性 回 归 ， 相 关 系 数 ， 得 关 系 式 一 刀 一 实 验 中 当槽 电流 ， 电解 ， 得 到 电流 效 率 为 ， 产 物 铝 球 的 直 径 为 ， ， 并 由式 和 式 得 · 一 ， 则 粉 一 刀习 电解槽 的综合实验 表 列 出 了 电解 槽 的 电流 效率 、 槽 电压 及 能耗 的测 量 结果 实验条件 槽 电流 二 ， 阴极 电极 密 度 一 · 一 ’ ， 阳极 电流 密度 一 · 一 ’ ， 下 一 一 ， 电解 温度 ， 电解 时 间 表 电解槽的实验结果 实验号 川 槽 电压 能耗瓜 · 平均 制取 的能耗 电解 槽 中 阳极 做 成 “ ” 型 ， 它 的作 用是 使 电解 过程 中不 断产生 的 气泡用来保持 气 悬 浮 ， 这 样 ， ， 就 会 不 断 地 在 阳 极 上 放 电 ， 产 生 大 量 铝 离 子 这 些 铝 离 子 又 被 迁 移到 阴极 上 放 电 ， 得 到 金 属 铝 槽 上 的 电极 按 阳一 阴一 阳交 替 排列 ， 阳极 电流 密度 小 ， 不 会产生过量 的 气泡 ， 使 电解 质循 环 速度 太快 ， 以 致波及 到 讯 阴极 表 面 ， 造 成 液 的大 量 损 失 使 电流 效 率低 在 电解 过程 中 ， 液 不 断地从 阴极上 聚集成较大滴 后 穿过 阳极 与 阴极 的 间隙 ， 沉 降在 汇铝 池 中 如 果 按 上 述 结 果 推 广 到 电流 容 量 为 。 悬 浮 电解 槽 ， 电极 形 式 同 电解 槽 ， 保 持 电解 过 程 中液 体 铝 不 断排 出槽外 ， 电流 密度 在 一 · 一 范 围 内 ， 槽 电压 为 ， 按 照 式 计 算 ， 若 保 持 产 物 铝 表 面 积 为 一 ， 理 论 计 算 的 电 流 效 率则 可 达 一 ， ， 每 的能 耗 为 一 ·