电解铝碳素阳极消耗评述.doc

电解铝碳素阳极消耗评述
刘海军
包头希望铝业铝厂阳极车间
摘要：电解铝过程中，碳素阳极的实际消耗远高于其理论消耗，直接影响原铝的生产。本文在分析铝用碳素阳极消耗机理的基础上，评述了电解铝生产中的诸多因素对碳素阳极消耗的影响，这些因素包括：阳极电流密度、电解槽操作温度、添加剂、炭渣消耗、阳极保护措施等。
关键词：铝电解炭阳极净消耗电流密度布达反应
炭阳极是铝电解槽的心脏。炭阳极在铝电解过程中的消耗与其性能或质量有关，也与铝电解工艺条件有关。降低炭阳极净消耗可提高电流效率，增加铝产量、降低铝电解电耗和电解质温度以及延长炭阳极转换周期，从而提高铝厂的经济效益。
⒈炭阳极消耗机理
炭阳极消耗机理可分为三类：电化学消耗；化学消耗；炭渣或粉尘消耗。
=1\*GB1⒈1电化学消耗
阳极炭耗中大部分是由电解过程电化学反应直接消耗的，在电解铝过程中，含氧络合离子在阳极的表面放电，和炽热的炭反应并放出CO2，CO2以气泡的形式离开电极，电解还原铝的总过程可以用下面的反应式来代表：
Al2O3+3/2C=3/2CO2+2Al(1)
在电解的过程中阳极反应也有可能产生CO,反应式如下：
Al2O3+3C=3CO+2Al（2）
如果反应（2）发生，阳极炭耗将是反应（1）的两倍。然而，一般认为反应（2）只有在很低的电流密度下才会发生，工业电流密度下，阳极反应生成按（1）进行，生成CO2阳极气体。
⒈2化学消耗
化学消耗包括炭阳极空气氧化反应消耗、炭阳极与CO2布达反应消耗和铝电解副反应消耗。
⒈⒉1空气氧化反应消耗
炭阳极发生空气氧化反应的部位有两处：炭阳极的顶部表面；电解质界面以上暴露的阳极侧部表面。炭阳极中炭与空气中氧发生下列氧化反应：
Ｃ＋Ｏ２＝ＣＯ２(3)
２Ｃ＋Ｏ２＝２ＣＯ(4)
研究表明：当温度低于727℃时，式（3）占主导地位；温度高于727℃时，式（4）占主导地位。在正常铝电解条件下，炭阳极上表面温度约小于427℃，炭阳极发生空气氧化反应主要生成ＣＯ２.除温度外，炭阳极中的某些杂质对炭阳极空气氧化反应也起催化作用。
⒈⒉2炭阳极与ＣＯ２反应（布达反应）消耗
炭阳极与铝电解主反应式（2）产生的CO2的反应（布达反应），如式（5）所示。
C+CO2=2CO(5)
布达反应发生的部位有两处：炭阳极工作面（俗称炭阳极底掌）的孔隙中；浸在电解质中的炭阳极四周。此外，电解质中的炭渣也会与CO2反应。温度和炭阳极中的某些杂质（如Fe,Na，Ca等）会影响布达反应速率。
1.2.3铝电解副反应消耗
副反应指的是铝电解主反应产生的CO2与溶解在电解质中的铝和钠的反应，其反应式如下：
3CO2+4Al=3C+2Al2O3(6)
3CO2+2Al=3CO+Al2O3(7)
3CO2+6Na=3CO+3Na2O(8)
这些副反应虽不能直接反映出炭阳极的消耗，但溶解在电解质中的铝是靠消耗炭阳极生成的，部分钠是由氟化钠与铝作用生成的：
3NaF+Al=3Na+AlF3(9)
⒈⒉4炭渣消耗
由炭渣造成的阳极消耗，其机理是很清楚的：粘接剂沥青结焦活性大，它优先氧化之后，大块的骨料焦粒就由阳极表面突出，并在重力作用和电解质搅动下，从阳极脱落，形成炭渣。无论是电化学氧化还是化学反应氧化，都可以用这种机理来解释阳极炭渣产生的原因。严格的讲，以上每个独立的氧化反应都会导致炭渣的产生。
⒉影响碳素阳极消耗的因素
⒉1电流密度
阳极电流密度与炭耗有密切的关系，阳极炭耗随电流密度的变化与反应（1）和（2）的进行程度有很大的关系。阳极气体组分的研究表明，当电流密度小于0.1A/cm2的时候，阳极气体中以CO为主，但是当电流密度高于0.3A/cm2的时候则以CO2为主。阳极选择性氧化会导致炭渣的增加，也增加了阳极总炭耗；随着电流密度的提高，阳极消耗变得更加均匀，炭渣脱落相对减少，再加上阳极气体中CO含量减少，使得阳极炭耗随电流密度提高而减少；但当电流密度达到一定值后，阳极上热负荷增大，温度提高，其他影响阳极炭耗的因素作用更加明显，从而导致阳极炭耗的增加。但电流密度的变化并不影响阳极的化学消耗机理。
⒉2电解质添加剂
⒉⒉１Li2CO3添加剂
一般认为，电解质添加剂可降低阳极炭耗，这主要是因为：添加剂可以降低电解质初晶温度，从而降低阳极温度，减缓阳极氧化；另外，有些添加剂能降低阳极和熔体的界面张力，改善电解质对阳极表面的湿润，减少阳极表面聚集的CO2气泡，从而减缓布达反应的进行，并使的阳极更均匀的消耗，从而减少炭渣的产生。添加CaF2可以降低阳极炭耗；在一定温度下，增加电解质分子比会增加阳极炭耗损耗，但是添加NaCl又可降低阳极炭耗。在炭阳极糊中添加Li2CO3可以提高阳极的活性，改善炭对氧的吸附性能，从而降低铝电解阳极的过电压，当Li2CO3