鋁電解陽(yáng)極效應(yīng)裝置的問題及技術(shù)改進(jìn)

毛小浩++徐本軍

摘 要

在鋁電解教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中需要人為產(chǎn)生陽(yáng)極效應(yīng)，加深學(xué)生對(duì)該現(xiàn)象的理解。針對(duì)傳統(tǒng)效應(yīng)發(fā)生裝置的不足進(jìn)行了改進(jìn)及創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)由教師演示操作轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生自主動(dòng)手操作，提高了實(shí)驗(yàn)效率和效果。

【關(guān)鍵詞】鋁電解 陽(yáng)極效應(yīng) 技術(shù)改進(jìn) 創(chuàng)新

鋁電解生產(chǎn)過程中發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電解狀態(tài)不穩(wěn)定，及時(shí)預(yù)測(cè)陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生和熄滅是極為關(guān)鍵的。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通過模擬產(chǎn)生陽(yáng)極效應(yīng)方式來加深學(xué)生對(duì)效應(yīng)現(xiàn)象的理解。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置存在危險(xiǎn)性高及成功率低等問題，現(xiàn)通過使用小型低溫熔鹽電解槽及改變?nèi)埯}成份、配比等技術(shù)改進(jìn)及創(chuàng)新，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)由難變易，學(xué)生可獨(dú)立動(dòng)手操作，極大提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性和理解能力。

1 傳統(tǒng)效應(yīng)裝置的缺點(diǎn)

1.1 裝置構(gòu)成及運(yùn)行

傳統(tǒng)裝置組成如圖1所示，主體由馬弗爐、直流電源、坩堝支架、陽(yáng)極升降支架組成，電解質(zhì)由冰晶石-氧化鋁組成。

實(shí)驗(yàn)時(shí)將調(diào)配好電解質(zhì)裝入坩堝中，將坩堝及坩堝支架放入爐膛，通電升溫至1000℃，待電解質(zhì)熔化后補(bǔ)加電解質(zhì)至液面接近坩堝邊緣，調(diào)整陽(yáng)極升降裝置使陽(yáng)極與液面接觸。緩慢調(diào)節(jié)直流電源電流至效應(yīng)發(fā)生。

1.2 裝置存在的缺陷

1.2.1 裝置及實(shí)驗(yàn)過程不穩(wěn)定

實(shí)驗(yàn)過程中為便于操作和觀察，爐口一直處于開啟狀態(tài)，電解質(zhì)熔化緩慢，單組實(shí)驗(yàn)需耗時(shí)>5小時(shí)。而爐溫變動(dòng)易導(dǎo)致電解質(zhì)導(dǎo)電性能不佳而無法產(chǎn)生效應(yīng)。在長(zhǎng)時(shí)間高溫狀態(tài)下裝置極易出現(xiàn)故障。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)過程危險(xiǎn)

實(shí)驗(yàn)中電解質(zhì)會(huì)釋放出少量HF氣體，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員及場(chǎng)地有一定危害，學(xué)生無法長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程的高溫（約1000℃）熱輻射極強(qiáng)，現(xiàn)象不易觀察，也容易造成實(shí)驗(yàn)人員的人身傷害。

高溫下陽(yáng)極與液面接觸程度很難確定，調(diào)節(jié)電流可超過20A，為安全學(xué)生需離電解裝置有一定距離，更不易觀測(cè)到現(xiàn)象的變化。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)損耗大

每次實(shí)驗(yàn)均要損壞坩堝及支架數(shù)套。由于高溫氧化導(dǎo)致坩堝破裂電解質(zhì)流出損壞爐膛及加熱元件，降低了設(shè)備壽命。

由上所述可知：傳統(tǒng)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置存在著諸多缺陷，已無法滿足當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)效性和綜合性的要求。

2 效應(yīng)裝置技術(shù)改進(jìn)及創(chuàng)新

2.1 效應(yīng)裝置的創(chuàng)新

陽(yáng)極效應(yīng)是熔鹽電解固有的一種特征現(xiàn)象，以此為出發(fā)點(diǎn)，改用三元低溫熔鹽作為電解質(zhì)，該電解質(zhì)熔點(diǎn)約為142℃，熔融后不易揮發(fā)且清亮透明，容易觀察陽(yáng)極與電解質(zhì)接觸情況，效應(yīng)現(xiàn)象明顯，能很好滿足學(xué)生的觀察要求。而且電解質(zhì)無腐蝕性，可重復(fù)利用，極大的降低了成本。

2.2 效應(yīng)裝置的技術(shù)改進(jìn)

采用小型低溫熔鹽電解槽，裝置如圖2所示。裝置主體由控制系統(tǒng)、坩堝支架、加熱爐、升降臺(tái)、直流電源組成?？販叵到y(tǒng)保持熔融狀態(tài)的穩(wěn)定性。采用指針、數(shù)顯表及效應(yīng)指示燈綜合反映效應(yīng)現(xiàn)象，提高了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀測(cè)性。電解狀態(tài)指示燈、防誤調(diào)按鈕及漏電保護(hù)裝置可避免誤操作和提高安全性。整套裝置由市場(chǎng)易購(gòu)件模塊化組裝而成且維護(hù)簡(jiǎn)便。

3 實(shí)驗(yàn)效果比對(duì)

（1）傳統(tǒng)裝置由于設(shè)備局限，僅能靠一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，每組人數(shù)多達(dá)8-10人。觀測(cè)效果不穩(wěn)定使得學(xué)生對(duì)效應(yīng)現(xiàn)象理解模糊。而且設(shè)備突發(fā)故障導(dǎo)致的重復(fù)實(shí)驗(yàn)易使學(xué)生產(chǎn)生懈怠和抵觸情緒。在設(shè)備正常運(yùn)行情況下，每組陽(yáng)極效應(yīng)實(shí)驗(yàn)平均耗時(shí)8-10小時(shí)，實(shí)驗(yàn)效率低且效果差。

（2）采用新裝置后，操作簡(jiǎn)化使學(xué)生可全程獨(dú)立操作，在實(shí)驗(yàn)流程上鍛練了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。教師可節(jié)約出維護(hù)設(shè)備運(yùn)行所占時(shí)間，給予學(xué)生更多的實(shí)驗(yàn)講解和指導(dǎo)時(shí)間，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解。按國(guó)家規(guī)定的設(shè)備臺(tái)套數(shù)要求，每組人數(shù)減至1-2人，每組實(shí)驗(yàn)時(shí)間縮短至0.5-1小時(shí)，提高了實(shí)驗(yàn)效率及效果，由演示性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性實(shí)驗(yàn)。

（3）經(jīng)過兩年的實(shí)踐教學(xué)，新效應(yīng)裝置在可靠性、運(yùn)行效率及實(shí)驗(yàn)效果上表現(xiàn)良好，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效進(jìn)行提供了極大助力。

（通信作者：徐本軍）

參考文獻(xiàn)

[1]邱竹賢，沈時(shí)英，蔡祺風(fēng).鋁電解[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

作者簡(jiǎn)介

毛小浩（1975-），男，廣西省貴港市人。碩士研究生學(xué)歷。冶金工程專業(yè)?，F(xiàn)為貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院講師。研究方向?yàn)橛猩饘佟?/p>

作者單位

貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院 貴州省貴陽(yáng)市 550025