鋁電解過程中rc曲線的理論分析

1、鋁電解過程中鋁電解過程中R—C曲線的理論分析曲線的理論分析曹阿林123，曹斌13，易小兵13，李劼2（1.貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽550081；2.中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083；3.國家鋁鎂電解裝備工程技術(shù)研究中心，貴陽550081）摘要：摘要：通過對鋁電解過程中氧化鋁濃度與氧化鋁分解電壓、電解質(zhì)本體電壓、陽極氣泡電壓、陽極反應(yīng)過電壓以及陽極擴(kuò)散過電壓之間關(guān)系的理論計(jì)算分析，確定了鋁電解槽電壓與氧化鋁濃度間的關(guān)聯(lián)

2、關(guān)系，并繪制出鋁電解槽的RC控制曲線，為實(shí)現(xiàn)鋁電解過程中氧化鋁濃度的控制提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：鋁電解槽；氧化鋁濃度；槽電壓；槽電阻；R–C曲線中圖分類號：中圖分類號：TF821文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：文章編號：10077545（2013）12000000TheeticalStudyofR–CCurveinAluminumElectrolysisCAOAlin123CAOBin13YIXiaobing13LIJie2(

3、1.GuiyangAluminiumMagnesiumDesign2.SchoolofMetallurgicalScienceEngineeringCentralSouthUniversityChangsha410083China3.NationalEngineeringTechnologyResearchCentrefAluminiumaluminaconcentrationcellvoltagecellresistanceR–Ccu

4、rve現(xiàn)代大型預(yù)焙鋁電解槽下料控制系統(tǒng)均采用基于槽電阻跟蹤的氧化鋁濃度控制算法理論[1]，根據(jù)槽電阻與氧化鋁濃度之間的關(guān)系（即R–C曲線），采用欠量和過量下料周期交替作業(yè)方式，以確保電解質(zhì)中氧化鋁濃度在最佳濃度點(diǎn)附近。氧化鋁濃度控制的優(yōu)劣會對鋁電解生產(chǎn)過程產(chǎn)生一系列的影響，正確表述鋁電解過程中槽電阻與氧化鋁濃度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即R–C控制曲線的繪制，是保證氧化鋁濃度精確、合理控制的理論基礎(chǔ)[27]。本文以某350kA系列鋁電解槽為例，其

5、工藝參數(shù)為：系列電流350kA、陽極48組、陽極尺寸155cm66cm60cm、爐膛尺寸1732cm390cm60cm。根據(jù)鋁電解過程中氧化鋁濃度對槽電壓的影響關(guān)系，通過理論計(jì)算分析，繪制出鋁電解槽的R–C曲線。1鋁電解過程槽電壓的組成鋁電解過程槽電壓的組成冰晶石—氧化鋁熔鹽電解是現(xiàn)代鋁電解工業(yè)生產(chǎn)原鋁的唯一方法。其槽電壓主要由陽極電壓、分解電壓、電解質(zhì)電壓、陽極過電壓、陰極電壓、陰極過電壓、母線電壓等組成。2氧化鋁濃度對槽電壓的影響氧

6、化鋁濃度對槽電壓的影響鋁電解槽電壓組成中受氧化鋁濃度影響較大的主要有分解電壓、電解質(zhì)電壓、陽極過電壓。2.1氧化鋁濃度對分解電壓的影響氧化鋁濃度對分解電壓的影響電解質(zhì)中氧化鋁的分解電壓是指氧化鋁進(jìn)行電解并析出原鋁產(chǎn)物所需的外加最小電壓。由于高溫冰晶石—氧化鋁熔體對電極材料有較強(qiáng)的腐蝕性，致使測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、重現(xiàn)性較差。根據(jù)鋁電解反應(yīng)過程，氧化鋁的理論分解電壓可使用式（1）計(jì)算：（1）2232321.51.5lnln6666AlCevAl

7、OAlOCGRTGRTEFFFF???????????????AA收稿日期：收稿日期：20130531基金項(xiàng)目：基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA040705)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目(黔科合J字[2013]2013號)作者簡介：作者簡介：曹阿林（1977），男，河南柘城人，工程師.doi：10.3969j.issn.10077545.2013.12.005若：、、，當(dāng)電解質(zhì)溫度分別為935、945、955℃時(shí)，其相應(yīng)%

8、5.2?LiFw%5.12?MgFw%0.52?CaFw的摩爾分子比分別取2.45、2.50和2.55，其電導(dǎo)率由式（5）計(jì)算，電解質(zhì)本體電壓由式（4）計(jì)算。2.2.2陽極氣泡電壓陽極氣泡電壓在鋁電解過程中，在炭陽極底掌析出CO2氣體，形成一定厚度的氣泡層。一方面氣泡受到浮力作用，由表面溢出；另一方面氣泡亦會擴(kuò)散到電解質(zhì)中，造成電解質(zhì)電壓的增加。陽極氣泡所引起的電解質(zhì)電壓可由式（6）計(jì)算。（6）(11.26)bbubblecanodeE

9、IRfA?????式中：為陽極表面氣泡覆蓋率，經(jīng)驗(yàn)值為。cf23110.75cAlOfw??電解質(zhì)電壓與氧化鋁濃度的關(guān)系曲線見圖2。圖2電解質(zhì)電壓與氧化鋁濃度的關(guān)系曲線電解質(zhì)電壓與氧化鋁濃度的關(guān)系曲線Fig.2Relationshipbetweenbathvoltagealuminaconcentration由圖2可知，鋁電解槽電壓隨著氧化鋁濃度增加先急劇降低，當(dāng)氧化鋁濃度增加至3%左右時(shí)，槽電壓達(dá)到最低點(diǎn)，之后又隨著氧化鋁濃度的增加而

10、增加。相同氧化鋁濃度下，隨著電解溫度的增加，槽電壓呈下降趨勢，電解溫度每升高10℃，槽電壓降低30mV左右。2.3氧化鋁濃度對陽極過電壓的影響氧化鋁濃度對陽極過電壓的影響在一定電流密度下，電解電位與平衡電位的差值稱為該電流密度下的過電壓。鋁電解過程中，陰極過電壓比較小，一般在10~100mV，但陽極過電壓可高達(dá)400~600mV。陽極過電壓主要由陽極反應(yīng)過電壓和陽極濃差過電壓組成。2.3.1陽極反應(yīng)過電壓陽極反應(yīng)過電壓在鋁電解過程中，C

11、xO的生成與分解過程、含氧離子的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入炭陽極的空洞、原子態(tài)的氧進(jìn)入炭的晶格以及CO2從炭陽極空洞中擴(kuò)散出來，均產(chǎn)生陽極反應(yīng)過電壓，可由式（7）計(jì)算：（7）lnanodeARoiRTnFi???式中：為電荷傳遞系數(shù)，0.52~0.56；ianode=IAanode，為陽極電流密度，Acm2；?，Acm2，為交換電流密度。230.0023670.000767oAlOiw??2.3.2陽極擴(kuò)散過電壓陽極擴(kuò)散過電壓在鋁電解反應(yīng)過程中，由于陽極