铝电解电流效率(current efficiency of aluminium electrolysis)

在铝电解过程中实际产出的铝量与理论产出的铝量之比的百分数或小数。铝电解电流效率是铝电解的重要技术经济指标。60kA以下的小型侧插棒自焙阳极铝电解槽的电流效率一般为85％～88％；60～100kA中型侧插和上插棒自焙阳极铝电解槽的电流效率一般为88％～90％；100kA以上的大型预焙阳极铝电解槽的电流效率一般为90％～93％，有的甚至高达95％。

与铝产量和电耗率的关系   铝电解电流效率直接影响铝的产量和电耗率，后两者和铝电解电流效率的关系可用下面两式分别表示。

式中w为吨铝的电耗率，kW•h；V_平均为铝电解槽的平均电压，V；γ为铝电解电流效率(小数)。从式(2)中看出，当V_平均保持不变时，铝电解电流效率与电耗率成反比。

铝电解电流效率总是达不到100％的，其主要原因是阴极上电解析出的铝又重新溶解或机械地混入电解质中，并被循环着的电解质带到阳极空间或电解质表面被阳极气体中的CO₂或空气中的氧所氧化。此外，也可能有其他离子放电和电流空耗。

影响电流效率的因素   指影响铝电解电流效率的工艺参数，主要有电解温度、极间距、电解质成分、阴极电流密度，铝水波动和回流也会影响铝电解电流效率。

电解温度   铝电解过程熔融电解质的温度。电解温度一般比电解质的初晶温度高15～20K。电解温度升高，电解质粘度减小，铝在电解质中的溶解度和扩散系数增大，都有利于铝向电解质中溶解和向阳极区转移，因而铝的损失增加。当电解温度超过正常电解温度10K时，铝电解电流效率随之降低1％～2％。电解温度过低，电解质发粘，铝珠与电解质分离困难，又会引起铝电解电流效率下降。

极间距   阳极底掌到铝液镜面的距离。铝电解的极间距一般保持在4cm左右。小型铝电解槽的极间距稍大一些，以便于维持铝电解槽的能量平衡；大型铝电解槽则稍小些。增加极间距能提高电流效率。极间距对铝电解电流效率影响如图1。

电解质成分   指铝电解质中的冰晶石比、氧化铝含量和各种添加剂含量。

采用冰晶石比小于3的电解质，可以得到较高的铝电解电流效率。在中、小型边部加料的铝电解槽中，一般采用的冰晶石比为2.5～2.8；大型半连续加料的铝电解槽，一般采用2.3～2.5。

人们对氧化铝含量与铝电解电流效率关系的研究很多，但所得结果很不一致。有的得出铝电解电流效率随着氧化铝含量增加而上升的结果；但大多数研究结果表明，在铝电解质含Al₂O₃ 5％时铝电解电流效率最低，高于或低于此含量时铝电解电流效率均会提高。

向铝电解质中添加LiF和MgF₂，可使铝电解质的初晶温度显著降低，并使铝电解质与铝液界面张力增大，而有利于铝电解电流效率的提高。LiF和MgF₂的添加量一般分别为2％～3％和3％～5％。

阴极电流密度   铝液镜面上的电流密度。实验室研究表明，铝电流效率随着阴极电流密度的提高而增大，但增大却有一定限度。当阴极电流密度降低到某一数值时，铝电解电流效率会变为零，因此，在工业铝电解生产中，要尽量规整槽膛，缩减铝镜面，达到减少铝溶解于电解质损失的目的。阴极电流密度对铝电解电流效率的影响如图2。

铝液波动和回流   铝液在电磁力的作用下在铝电解槽内流动和波动。当铝液流速很快、波动幅度很大时，会加速溶解于铝电解质中的铝向阳极区的转移和再氧化，而引起电流效率下降。大型铝电解槽如能做到结构合理、母线配置恰当，就可以削弱磁场的这些不利影响，使铝液的波动和回流的强度减弱。

短时铝电解电流效率的测定   测定铝电解槽瞬时或几天、几十天内的电流效率。生产上经常根据实际出铝量来计算铝电解电流效率。当累计出铝的时间超过半年以上时，用这种方法计算出的铝电解电流效率也是相当准确的。但在某些情况下需要知道铝电解槽内短时间的铝电解电流效率，这时可以用阳极气体分析法和盘存法进行测定。

阳极气体分析法   分析阳极气体中的CO₂浓度，按皮尔逊–沃丁顿(Pearson–Waddington)式计算铝电解电流效率：

式中η为电流效率，％；N为阳极气体中CO₂含量(体积分数φ)，％。公式的建立是以下列条件为基础的，即一次阳极气体100％CO₂，阳极气体中的CO是由于已得到的铝同CO₂相作用的结果，一次反应的电流利用率为100％。

用阳极气体分析法可以测定瞬时铝电解电流效率，但由于CO₂与碳渣反应也产生CO，进入结壳内的空气与CO反应也产生CO₂，所以测得的结果一般偏低。因此，在使用这种方法时，必须用实验的方法给测定结果加上修正值。1980年中国的邱竹贤教授根据工业试验结果给出的修正值为3.5％。

盘存法   测量周期始末槽中铝量来确定周期内产铝量，进而求出周期内铝电解电流效率的方法。根据电流效率的定义可以写出：

式中为测定周期内的平均铝电解电流效率，％；M为测定周期末槽中的铝量，kg；M_o为测定周期开始槽中的铝量，kg；C为铝的电化学当量，0.3356g／(A•h)；为测定周期内平均电流，A；t为测定周期的时间，h；为测定算周期内由槽中取出的铝总和，kg。如果测定出M_o和M_t，便可求得在时间f内的铝电解电流效率。

盘存法又分为加指示剂盘存和简易盘存两种方法。加指示剂盘存法按所加的指示剂又分为惰性指示剂(如Cu)和放射性指示剂(如⁶⁰Co、⁵⁹Fe、⁹⁵Zr等)两种。加试剂盘存法会在一定程度上污染产品铝，只在十分必要情况下才予以采用。

采用惰性金属作指示剂时，按下式计算槽中铝量：

式中M_c为加惰性金属后取样分析到的槽中铝量，kg；ɑ_c为加惰性金属后铝液中的惰性金属浓度(质量分数)；ɑ_o为加惰性金属前铝液中的惰性金属浓度(质量分数)；C为加入铝液中的惰性金属的量，kg。计算公式是在假设于测定周期内ɑ_o保持不变的条件下导出的，这种假设与生产实际相符合。

在采用放射性指示剂时，要求所用的放射性元素具有半衰期适宜、射线强度足够大、在铝中易溶解和易扩散、不进入电解质和阳极中等性质，并按下式计算槽中铝量：

m_oR_o=(M_o+m_o)r_o

式中m_o为母合金的重量，g；M_o为槽中铝量，g；R_o为母合金的放射性比度；r_o为由槽中所取出铝液试样的放射性比度。由于M_o》m_o，故有：

简易盘存法是用铁钎试探槽内伸腿形状，确定出槽膛容积，再测得铝液高度，求出槽中铝量。这种方法虽然不太准确，但由于简单可行而常被采用。