第一讲 电解工艺及设备

1、主讲人：刘桂琴主讲人：刘桂琴辽宁省机械研究院辽宁省机械研究院Page 2www.ln-第一章 电解工艺及设备u1.1 1.1 概述概述u1.2 1.2 电解工艺电解工艺u1.3 1.3 电解槽设备分类电解槽设备分类u1.4 1.4 电解用碳素阳极概述电解用碳素阳极概述u1.5 1.5 碳素阳极制备技术碳素阳极制备技术u1.6 1.6 积放式悬挂输送机积放式悬挂输送机 本本章章主主要要内内容容Page 3www.ln-1.1 概述u 铜、铅、锌、铝等有色金属经过电解工序得到要求的纯金属的冶炼过程。铜、铅、锌、铝等有色金属经过电解工序得到要求的纯金属的冶炼过程。u 电解工序有两种方法：电解工序有两

2、种方法：u 电解精炼法（简称电解法）电解法采用可溶阳极，阳极是消耗品电解精炼法（简称电解法）电解法采用可溶阳极，阳极是消耗品 电解沉积法（简称电积法）电积法采用不可溶阳极，阳极不是消耗品。电解沉积法（简称电积法）电积法采用不可溶阳极，阳极不是消耗品。 金属铝生产主要采用熔盐电解法，金属铝生产主要采用熔盐电解法， 既在电解槽中以冰晶石既在电解槽中以冰晶石-氧化铝熔体为电解质，通入直流电，在碳素氧化铝熔体为电解质，通入直流电，在碳素阳极及阴极的参与下，电解质发生电化学反应而产生出液态铝。阳极及阴极的参与下，电解质发生电化学反应而产生出液态铝。 电解（电解（Hall-Hall-HeroultHero

3、ult）炼铝法的典型特点之一是阳极属于消耗性阳极）炼铝法的典型特点之一是阳极属于消耗性阳极 Page 4www.ln-1.2 电解工艺.1电解工艺流程图电解工艺流程图Page 5www.ln-u电解法生产金属铝所用主要设备是电解槽电解法生产金属铝所用主要设备是电解槽u电解槽由阳极和阴极组成。电解槽由阳极和阴极组成。u阴极是一个长方形金属外壳，底部铺砌保温砖和耐火砖绝热，阴极是一个长方形金属外壳，底部铺砌保温砖和耐火砖绝热，耐火砖上面铺以炭块，炭块中间插一钢棒并伸出壳体外，并耐火砖上面铺以炭块，炭块中间插一钢棒并伸出壳体外，并与阴极母线连接。阳极是用碳素（石油焦）粉粒作骨料，用与

4、阴极母线连接。阳极是用碳素（石油焦）粉粒作骨料，用沥青做粘结剂混捏成糊经冷却制成块状阳极。沥青做粘结剂混捏成糊经冷却制成块状阳极。u铝电解生产过程是：铝电解生产过程是： 直流电从架在电解槽上部的阳极母线直流电从架在电解槽上部的阳极母线3 3，通过阳极铝导杆，通过阳极铝导杆导入阳极导入阳极6 6，经过电解质进入阴极，从阴极棒，经过电解质进入阴极，从阴极棒9 9汇集到阴极母汇集到阴极母线，再送到下一下一台的阳极上，所以电解车间的的电解槽线，再送到下一下一台的阳极上，所以电解车间的的电解槽是串联的，阳极浸在电解质中，与阴极保持一定距离（约是串联的，阳极浸在电解质中，与阴极保持一定距离（约40mm40

5、mm）该距离叫极距。当有电流通过时便对溶解在电介质中）该距离叫极距。当有电流通过时便对溶解在电介质中的氧化铝（的氧化铝（AI2O3AI2O3）进行电解。三价铝离子沉积在阴极（底槽）进行电解。三价铝离子沉积在阴极（底槽）上，氧离子与阳极化合成二氧化碳或一氧化碳，从电解槽逸上，氧离子与阳极化合成二氧化碳或一氧化碳，从电解槽逸出。因此阳极逐渐消耗。出。因此阳极逐渐消耗。u铝电解通入直流电的目的是一方面用它的热能将冰晶石融化，铝电解通入直流电的目的是一方面用它的热能将冰晶石融化，并保持一定电解温度，另一方面主要也是要在两极实现实现并保持一定电解温度，另一方面主要也是要在两极实现实现电化学反应，也就是要

6、在两极实现电化学反应。电化学反应，也就是要在两极实现电化学反应。1.2.1铝电解生产流程Page 6www.ln-电解车间电解槽排布电解车间电解槽排布Page 7www.ln-3.2.2高温熔盐电解炼铝法发展过程u 电解铝厂平面布置图电解铝厂平面布置图Page 8www.ln-1.2.2高温熔盐电解炼铝法发展过程u 高温熔盐电解炼铝法是1886年由美国的Hall和法国的Heroult发明炼铝的基本方法，高温熔盐电解炼铝法发展到现在，铝电解工业无论在工艺技术水平，还是在生产规模以及在自动化程度上均取得了突飞猛进的发展；尤其在近30年间，铝电解生产的电流效率由80多提高到现在最高水平的96%，电解

7、直流电耗由过去的16000多kWh/吨铝降低到现在的13000kWh/吨铝以下；在生产规模方面，铝电解槽由几仟安培的规模扩大到现在的320KA，甚至500KA。一个多世纪以来，工业铝电解槽经历了由小型预焙阳极电解槽、侧插式自焙阳极电解槽、上插式自焙阳极电解槽到大型预焙阳极电解槽的发展阶段；在自动化控制程度上，成功地开发出了控制精度高、系统鲁棒性好、具有明显的增产节能效果的电解过程控制系统。全世界年铝产量由二十世纪初期的6000吨/年发展到二十世纪末期的2000多万吨/年。这些进展可以说是基于人们对于高温熔盐电解炼铝法的基本原理有了更加深入的了解和认识。Page 9www.ln-u吨铝：吨铝：

8、氧化铝氧化铝2 2吨；吨； 冰晶石冰晶石 24kg24kg 炭阳极炭阳极500kg500kgu 直流电耗：直流电耗： 15000kWh/15000kWh/吨铝吨铝Page 10www.ln-u 电解槽分类： 电解槽由于阳极的成型方法不同，也有不同名称，即自焙阳极电解槽和预焙阳极电解槽 自焙阳极电解槽，是在电解槽槽壳上部一个钢制框套，将阳极糊加入框套中，插入阳极棒，导入直流电。阳极糊靠电解过程中自身产生的热量，焙烧成坚硬的块状。故名自焙阳极电解槽。阳极棒插入的方向不同派生出侧插、和和上插槽。 预焙阳极电解槽，是先把阳极糊用成型机（振动或挤压）制成块状，预先在焙烧炉中焙烧，再与导杆、钢爪等构件组成

9、阳极组，然后直接挂在电解槽的阳极母线上。 1.3 电解槽设备及分类Page 11www.ln-预焙电解槽与自焙电解槽预焙电解槽与自焙电解槽Page 12www.ln-电解槽发展u 自焙阳极电解槽优点：自焙阳极电解槽优点： 1 1） 自焙阳极可以连续工作而不必更换；自焙阳极可以连续工作而不必更换； 2 2） 利用电解槽热量焙烧阳极利用电解槽热量焙烧阳极, ,节省能量；节省能量； 3 3）不需建压型、焙烧、组装设备）不需建压型、焙烧、组装设备, ,节省投资。节省投资。 缺点：缺点：1 1）沥青烟直接在电解槽上部散发）沥青烟直接在电解槽上部散发, ,环境污染严重环境污染严重, , 2) 2) 烟气净

10、化和自动化操作困难；烟气净化和自动化操作困难； 3)3)自焙阳极横截面积的局限限制了电解槽容量的提高；自焙阳极横截面积的局限限制了电解槽容量的提高； 4)4)阳极操作比预焙阳极复杂阳极操作比预焙阳极复杂, ,阳极电阻率较高阳极电阻率较高, ,电耗较大电耗较大. . u 预焙阳极电解槽优点：预焙阳极电解槽优点： 操作比较简单操作比较简单, ,阳极电压降比自焙阳极低阳极电压降比自焙阳极低, ,易于实现机械化、自动化易于实现机械化、自动化, , 消除了电解过程中消除了电解过程中的沥青烟害的沥青烟害, ,有利于电解槽向大容量方向发展有利于电解槽向大容量方向发展. . 缺点：制造阳极炭块需经过成型、焙烧

11、工序缺点：制造阳极炭块需经过成型、焙烧工序, ,阳极组装工段成本高阳极组装工段成本高, ,投资也远投资也远 大于阳极大于阳极糊生产的投资糊生产的投资. .Page 13www.ln-u 铝用炭素阳极材料可分为阳极糊和预焙阳极炭块两大类。阳极糊未经焙烧，直接用在自焙铝电解槽上作阳极；阳极炭块已经成型和焙烧，用于预焙铝电解槽作阳极。阳极材料分类如图 碳素阳极分类碳素阳极分类1.4 电解用碳素阳极概述电解用碳素阳极概述Page 14www.ln-u以阳极糊为主体所构成的连续自焙阳极可以连续工作而不必更换，其利用电解槽热量焙烧阳极，节省能量，不需建压型、焙烧设备、节省投资。但由于沥青烟直接在电解槽上部

12、散发，环境污染严重，给铝电解生产烟气净化和自动化操作带来困难，此外自焙阳极横截面积的局限限制了电解槽容量的提高，阳极操作比预焙阳极复杂，阳极电阻率较高，电耗较大。u以阳极炭块为本体构成的预备阳极操作比较简单，阳极电压降比自焙阳极低，易于实现机械化、自动化，且消除了电解过程中的沥青烟害，有利于电解槽向大容量方向发展。但是，制造阳极炭块需经过成型、焙烧工序，工艺流程长，成本高，投资也远大于阳极糊生产的投资。Page 15www.ln-u 铝电解预焙阳极由预先焙制的阳极炭块、导杆及钢爪等组成。u 预焙阳极多为间断式。每组阳极可使用1828天（换极周期）。当阳极炭块被电解反应消耗为原有高度的25%左右

13、时，为了避免钢爪熔化，就必须将旧的一组阳极炭块吊出，用新的炭块组替换。取出的炭块称为“残极”。u 预焙阳极的操作主要有吊出殘极，清理殘极，新炭块组组装，安装新炭块组等。由于预焙阳极操作简单，没有沥青烟害，易于实现机械化、自动化，可使电解槽大型化，和获得高效益，因此国内外新建大型铝厂多采用此种阳极。 碳素阳极组Page 16www.ln-导杆与钢爪阳极炭块Page 17www.ln-u 阳极块的生产流程：原料煅烧、配料、混捏、成型、焙烧、组装。阳极块的生产流程：原料煅烧、配料、混捏、成型、焙烧、组装。u 先将石油焦进行高温煅烧，以除去其中的挥发分，煅烧后焦经破碎、筛分、磨粉后，按一定的粒度组成（

14、粗、中、细）配成干料，再与一定量的沥青混捏成糊状；制成所需要的块，经冷却后由输送机送至炭块库，由堆垛天车堆放暂存，或经该机直接放到另一输送机上送至焙烧车间，经焙烧炉用多功能机组装入焙烧炉进行焙烧；再由机组从焙烧炉取出焙烧后的阳极炭块经输送机送入炭块库存放或运送到阳极组装车间。 Page 18www.ln-u 对于自焙阳极和预焙阳极，他们的制备技术基本一致，所不同的是预焙阳极的制备流程比自焙阳极要长，增加了阳极成型、焙烧和组装工序。下面就预焙阳极生产工艺及设备进行阐述。 原料:铝电解预焙炭素阳极的生产原料包括阳极主体组分（又称骨料）和粘接剂两大部分。 预焙阳极的制备工艺及设备 1.5 碳素阳极制

15、备技术碳素阳极制备技术Page 19www.ln-预焙阳极的制备工艺及设备Page 20www.ln-回转窑的生产流程 Page 21www.ln-u （一）破碎破碎u 1、目的：将煅后焦进一步破碎（破碎粒径小于12mm），使其满足配料的要求。u 2、设备：见破碎机（表一）u （二）（二） 筛分筛分u 1、目的：将破碎后的煅后焦分成不同粒级，以符合科学配料的要求。u 2、筛分设备：一般在炭素厂多使用震动筛，此外还有回转筛、摇摆筛等。u （三）破碎设备（三）破碎设备u 破碎筛分 破碎和筛分是指将煅烧石油焦破碎,按照配方要求筛分和磨粉分成不同粒级的料,装入各自的料仓内的过程u .破碎机械通常用鄂式

16、、对辊、锤击、反击等形式的破碎机.磨粉通常采用球磨机、雷蒙磨等.u （四）配料（四）配料筛分及配料Page 22www.ln-Page 23www.ln-Page 24www.ln-Page 25www.ln-u碳素混捏锅 Page 26www.ln-Page 27www.ln-Page 28www.ln-u滑称式振动成型生产线 Page 29www.ln-u 焙烧工艺焙烧工艺 焙烧工艺因炉型不同而有所区别，但基本工序包括：装炉、点火升温、保温、冷却、出炉、清砂、检测。 上述工序都不难理解，只是对清砂工序稍作解释。 在炭素阳极被焙烧的过程中，因粘接剂沥青的软化，有可能使炭素阳极变形，因此，在生

17、块入炉时，在其周围缝隙中填满一些细颗粒的炭素填充料（称其为焙砂）来支撑阳极，同时，填充料还可以阻止炭块与空气接触，以免在高温焙烧过程中被空气氧化。在阳极焙烧完毕出炉时，阳极表面会附着一些填充料颗粒，须对其进行清除才能成为最终的焙烧熟块。 焙烧工艺及设备焙烧工艺及设备 Page 30www.ln-u焙烧设备焙烧设备 铝用炭素阳极的焙烧设施有隧道窑、导焰窑和多室环式焙烧炉（也称为轮窑）等，对于当前规模化、集团化生产的企业，采用多室环式焙烧炉比较合算。Page 31www.ln-24 室两系统示意图 Page 32www.ln-火焰系统布置示意图 ( 依据 8 室运转为例 ) Page 33www.ln-Page 34www.ln-十字翻转式 Page 35www.ln-1.6积放式悬挂