电解铝生产概况

1、电解铝生产概况 Technology of Aluminium ElectrolysisIndustry is the parent of success铝电解中常用的英文缩写NB定时加料RC槽电阻(电压)调整AC阳极更换AE效应AEB效应熄灭TAP出铝RR提升母线iRR FEED边部加料作业ALESA浓相输送IVAN超浓相输送MTVV铝水平有效值AEVV效应次数有效值一、概述二、铝电解槽及电解槽系列三、铝电解原料生产四、铝电解过程机理五、铝电解生产工艺六、铝电解节能理论与技术七、铝电解槽的物理场八、其它提 纲一、概述1 铝的性质2 铝的用途3 铝冶炼历史4电解铝化工原理5电解铝工业流程1 铝

2、的性质轻、强、美、可再生利用铝是轻金属的一种，密度在常温下为2.7g/cm3，是铜和铁的三分之一，其熔点为660左右。铝具有良好的耐腐蚀性。铝表面在空气中与氧化合，很快生成一层光滑致密的氧化铝薄膜。使其内部免受氧化，增强了铝的防腐能力。铝是一种良好的导电材料。铝具有良好的导热和反光性能。铝具有良好的延展性和可塑性。铝的再利用率高。铝易与其它金属组成合金。这些合金既可保持铝的某些特性，又可显著提高其机械性能。产量：第二大金属，仅次于钢，2006年全球电解铝产量达到3380万吨，我国2010、2011年电解铝产量均超过1500万吨，是世界生产能力最大的铝工业大国。轻型结构材料 如：汽车、国防工业、

3、宇宙、航天工业。建筑工业材料 如：铝合金型材。电气工业材料 制造电线、电缆、电容器、整流器、母线。耐腐蚀材料 在化学工业上常用铝及其合金制造各种反应器、储槽和管路等。食品包装材料 仓库储槽、容缸、食品罐头盒子、零用包装铝箔。2 铝的用途 包装食品医用饮料 建筑：高层建筑、室内装修和新型桥梁等 交通运输 汽车 高速列车 飞机 轮船1）金属热还原法1825年：德国的韦勒，用钾汞齐和钾还原无水AlCl31845年：法国戴维尔，用Na还原NaCl-AlCl3混合盐，开始小规模生产；1855年：德国罗西，用Na还原Na3AlF6；1865年：俄国别凯托夫，用Mg还原Na3AlF6，并建厂炼铝。 在有色金

4、属中，铝的发现和冶炼较晚，十八世纪末被发现，十九世纪初分离出单独金属，十九世纪末开始工业生产，可大体分为三个历史阶段：产量小（总共约200吨），成本高，未能广泛应用3 铝冶炼历史2）小型预焙/自焙阳极电解槽炼铝 1886年，美国人Hall和法国人 Hroult (霍尔-埃鲁)分别申请冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝专利，即以冰晶石为主的氟化盐作为熔剂，氧化铝为熔质组成多相电解质体系。 ； 最初槽型为小型预焙槽、20世纪初出现侧插自焙阳极电解槽、 20世纪40年代出现上插自焙阳极电解槽，电解槽容量由最初的2kA发展到80kA或更高；3）大型预焙阳极电解槽炼铝 20世纪50年代，大型预焙铝电解槽出现，

5、使电解炼铝技术迈向了大型化、现代化发展新阶段，在产能、电流效率、能耗、环保、机械化和自动化程度等方面获得了很大发展，但其基本原理并未发生改变。主要过程 ：将冰晶石-氧化铝熔液做电解质 碳素材料为阴极和阳极，直流电从阳极导入 经电解液和铝液层从阴极棒导出 直流电的作用是以热能形式保持冰晶石、氧化铝等原料呈熔融状态和实现电化学反应。 4 电解铝化工原理阳极反应 通常的阳极反应： C+2O2-4e=CO2 但是电解质中无O2-,主要含氧离子形式为（Al2OF6 ） 2-和（Al2O2F4 ） 2- ，从（Al2O2F4 ） 2-中移出第一个氧比移出第二个氧或比从（Al2OF6）2-中移出氧所需能量小

6、得多，故正常情况下，阳极反应为： （Al2O2F4）2-+C-4e=CO2+2Al2OF4消耗掉的Al2O2F42-通过下列反应补充： Al2OF4+Al2OF62-=Al2O2F42-+2AlF3阴极主要反应： 2Al3+（络合的）+6e2Al 总反应： 2Al2O3+3C=4Al+3CO25 电解铝工业流程1吨（99.5-99.8%AL）1920-1940kg20-30kg5-15kg430-480kg13000-15000kwh一、铝电解生产概论按传统的划分方法，电解槽结构可分为:阴极结构上部结构槽周母线绝缘阴极结构是指电解槽的熔池部分，由碳块等多种筑槽材料的砌体和包围在砌体外部的钢壳构

7、成。熔池上面的金属结构部分统称上部结构。 它可分为门式支架及桁架、阳极提升装置、阳极母线卡具及阳极组、中间打壳下料机构、集气烟罩和排烟管五大部分。下料器：风动下料器、插板式下料器、筒式下料器。“打壳-下料- 充料”的时序，对于加料间隔比较长的情况是必要的，因每次投料量大，未经预热直接溶入电解质中将引起槽温较大的降落。 但在加料间隔日趋缩短的条件下 ，因每次投料量很少，引起电解质温度的降落亦小，因此已没有必要强调一定要先打壳了。目前，国外使用的筒式下料器利用打壳气缸乏气，作为充料和下料器上腔反吹风气源，设计气路时序：下料-打壳-充料。槽周母线系指从立柱母线根部 电流流入点起到下一槽的该点止，包括

8、阳极母线和导杆在内的所有铸造母线、 软带。分为立柱母线、阳极母线、 阴极母线及汇流母线(亦称平衡母线)、短路口四个部分。在槽上设置绝缘物是保证设备和人身安全的需要，也是防止直流电旁路电解反应的需要。二、铝电解槽及电解槽系列1 预焙阳极电解槽2 自焙阳极电解槽3 电解槽系列按阳极结构发展顺序，铝电解槽可分为：小型预焙电解槽侧插自焙阳极电解槽上插自焙阳极电解槽大型不连续预焙阳极和连续预焙阳极电解槽中间下料大型预焙阳极电解槽最早预焙阳极电解槽电流小、能耗高，被自焙阳极电解槽取代，50年代重新兴起：自焙阳极难以大型化；可生产出大规格炭块；可提供大电流；槽结构简单，节约材料；1 预焙阳极电解槽阳极气体易

9、收集；电解槽包括阳极装置（阳极母线大梁、阳极炭块组和阳极升降机构）和阴极装置（阴极炭块组、钢制槽壳和保温材料砌体）连续预焙阳极电解槽优点（德国采用）1）不换极，生产连续；2）无阳极残极，炭耗小；3）阳极电流分布均匀，阳极消耗均匀。缺点1）阳极无Al2O3保温，热损失大；2）接缝电阻大；3）结构复杂；4）指标偏低2 自焙阳极电解槽上插槽旁插槽自焙槽阳极可连续使用；不需专门工厂进行阳极成型，焙烧，装爪等。烟害大；槽电压比预焙槽约高0.10.2V，电耗比预焙槽高约1000度； 上插棒槽的上部金属结构比较复杂，机械化程度低，投资大。预焙槽电耗低，槽电压低；电解槽造价少；可大型化，操作的机械化程度高；烟

10、害小。非连续式预焙阳极电解槽需更换阳极；需成套的阳极制备工厂，投资多。 铝工业的主流是大型预焙电解槽，但正开发采用惰性阳极和可润湿性阴极的新型铝电解槽。许多同类型电解槽串联构成电解槽系列，其槽数取决于产能、电流强度、供电整流功率等；电解槽可横向或纵向排列，可设置为双行或单行；电解厂房分为双层和单层结构，整流所一般在电解厂房一端，须有备用电源。3 电解槽系列系列中的电解槽均是串联形式，直流电从整流器的正极经铝母线送到第一台电解槽的阳极，然后经过电解质和铝液层导到阴极，而又通过大母线导入第二台电解槽的阳极，这样依次类推，从最后一台电解槽阴极出来的电流又经大母线回到整流器的负极，使整个系列成为一个封

11、闭的串联线路。现代大型电解槽通常采取单行横向排列。因为提高电流容量不仅要增加槽身宽度，主要是增加其长度。槽子容量越大，其长宽比也越大。采取横向排列时，导电母线的配置方式可有较多的选择余地，有利于削弱磁场的影响并减少铝母线的用量。此外，原料运输距离可以缩短，厂房单位面积的铝产量可以增加，节省投资。三、铝电解原料生产1 炭阳极生产工艺2 铝电解过程的主要原料Al2O33 冰晶石生产工艺4 氟化盐生产工艺铝电解的原料包括：Al2O3、炭素阳极、冰晶石和氟化盐（NaF、AlF3、CaF2和LiF等）： 炭素阳极是铝电解过程的辅助原料，包括预焙阳极炭块和阳极糊；冰晶石和氟化盐构成铝电解质，用来补充或调整

12、电解质成分；Al2O3是铝电解过程的主要原料，每生产吨铝消耗吨Al2O3，其生产工艺有：拜耳法、联合法、碱石灰烧结法、石灰石烧结法、高压水化学法和酸法等。1 炭阳极生产工艺 铝电解槽的阳极分成自焙阳极和预焙阳极两种形式生石油焦破碎煅烧筛分配料混捏成型、冷却成型焙烧煤沥青熔化预焙阳极碳块阳极糊残极处理骨料粘结剂2 铝电解过程的主要原料Al2O3铝电解对其化学纯度要求比铝更正电性元素的氧化物（Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等）含量有要求；比铝负电性元素，如碱及碱土金属等，电解时与氟化铝反应，使其损失，分子比改变；水分也是有害成分，分解电解质中氟化物，产生HF。铝电解对其物理性能要求 具有

13、吸水性小，活性大，粒度适宜，在电解质中溶解性好等，同时要求能够严密地覆盖阳极，以防止阳极暴露在空气中被氧化，保温性能要好。 这些性质主要取决于氧化铝晶体的晶型、粒度和几何形状。 根据氧化铝的物理性能不同，可分为砂状、粉状和中间状。3 冰晶石生产工艺Na3AlF6因外观酷似冰而得名冰晶石，分为天然冰晶石和人造冰晶石，仅格陵兰岛有天然冰晶石，一般用人造冰晶石。冰晶石生产方法有：酸法、碱法、干法和磷肥副产法等，其中酸法应用最广。冰晶石酸法生产工艺：制酸、粗酸精制、制盐（合成冰晶石）、成品过滤和干燥。制酸CaF2+H2SO4=2HF+CaSO4SiO2+4HF=SiF4 +2H2OSiF4+2HF=H

14、2SiF6H2SiF6+Na2CO3=Na2SiF6+H2O+CO2 制盐 Al(OH)3+6HF=H3AlF6+3H2O2H3AlF6+3Na2CO3=2Na3AlF6+3CO2 +3H2O4 氟化盐生产工艺NaF：MgF2：CaF2:AlF3:四、铝电解过程机理1 分解电压2 两极反应3 阳极过电压与阳极效应1 分解电压所谓分解电压就是维护长时间稳定电解，并获得电解产物所必须加到两极上的最小电压。理论分解电压在数值上等于两个电极所构成的原电池的电动势。 可以通过热力学计算求得。 式中 ET0 化合物的理论分解电压，V； F 法拉第常数；F=96487C/mol； GTo 化合物的生成自由能

15、变化，J/mol； n 电池反应相应的电荷数。2 两极反应Na+ , AlF63-AlF4- , F-Al-O-Fx-阳极过程机理阳极过程总表达式：2O2-(配离子)+C-4e CO2研究阳极过程机理的文献较多，但还有一定争议：1）阳极一次气体：低电流密度为CO，正常条件下为CO2，阳极效应时为CO2+CFn;2）阳极放电配位离子结构：AlOF32-、AlOF54-、AlOF2-、Al2OF42-、Al2OF62-等；3）阳极反应步骤：有各类观点，但都还缺乏确定其速率控制步骤的重要依据。有一种观点得到较多的支持：正常电解条件（电流密度与Al2O3浓度）下，阳极的速率控制步骤为“电荷传递步骤”或

16、“缓慢化学反应步骤”；阳极效应时，速率控制步骤为“扩散步骤”。 1）扩散步骤AlOFx1-x(Bath)= AlOFx1-x(Electrode) 2）Al-O-F络合离子的分解及O2-的表面吸附步骤AlOFx1-x(Electrode)+C CxO (吸附) +AlFx3-x+2e- 3）两种情况：a. 低于CO2的析出电位时，通过C-C键的断裂等化学反应、吸附的CO的缓慢脱附等过程，CO优先析出：CxO = CO +(1-x)C b.阳极过电位超过CO2的析出电位时，阳极表面产生不稳定的CxO2中间体:CxO（surface）+ Al2OF62-+2F - = CxO2（surface）+

17、2AlF4-+2e-CxO2中的C-C键易于断裂导致CO2的产生与脱附：CxO2(surface) = CO2+(x-1)C(surface) 阳极过程机理冰晶石氧化铝熔盐电解在电解过程发生主反应的同时，伴随着一系列副反应，主要发生如下反应：2Al（溶解的）3CO2 = Al2O3 十 3CO此外，由于碳阳极散落掉渣，分离后飘浮在电解质表面，当二氧化碳气体与这些碳渣接触时，会发生还原反应而生成一氧化碳。 C CO2 2CO阳极副反应 阴极过程总表达式：Al3+(配离子)-3e Al Na3AlF6-Al2O3熔体主要由Na+、AlF63-、AlF4-、F-、AlxOyF(2+2y-3x)-等构

18、成，其中Na+传输的电流占99%以上，但电解条件下，Na+的析出电位比Al3+的负0.25V,一般认为含铝配离子阴极放电，Al是一次阴极产物； 分子比增大、温度升高、Al2O3浓度减小及阴极电流密度提高，Na+和Al3+放电电位差值缩小，加上阴极区的Na+积累，Na+也可能阴极放电，目前存在两种阴极放电理论：“钠置换铝”和“铝离子直接放电”理论。阴极过程机理铝离子直接放电理论熔体反应：Na3AlF63Na+AlF63- AlF63-AlF4-+2F- Al2O3+4AlF4- +4F-3Al2OF62-阴极放电：AlF4-+3e Al+4F-（低MR) AlF63-+3e Al+6F-(高MR

19、)阳极放电：2Al2OF62-+6F-+C 4AlF4- +CO2+4e总 反 应： Al2O3+1.5C 2Al+1.5CO2钠置换铝理论熔体反应：Na3AlF63Na+AlF63- Al2O3+AlF63- 3AlOF2-阴极放电：Na+e Na置换反应：3Na+2AlF3 Al+Na3AlF6 3Na+2AlF3+6e Al+ Na3AlF6阳极反应： 3AlOF2-+4AlF63- 1.5O2+4AlF3+6e总 反 应：Al2O3+1.5C 2Al+1.5CO2阴极过程机理Na+eNa析出的钠少部分溶解在铝中，剩下的一部分被阴极炭素，在电解质表面被空气或阳极气体所氧化，产生黄色火焰。

20、可能的反应为：4NaO22Na2O2NaCO2Na2OCO2NaCONa2OC措施：增加电解质中AlF3含量及避免电解质过热。当AlF3含量增高时，Al的放电电位降低。电解过程中阴极的主反应是析出铝而不是钠，因为钠的析出电位比铝低。但是，随着温度升高，电解质分子比增大，氧化铝浓度减少，以及阴极电流密度提高，钠与铝的析出电位差越来越小，而有可能使钠离子与铝离子在阴极上一起放电，析出金属钠。3 阳极过电压与阳极效应 阳极过电位的性质和组成随着电流密度的变化而发生改变：1）活化过电位 电化学反应过电位和化学反应过电位 电化学反应过电位是由于电极反应过程中，电荷通过电极与电解质界面双电层，进行电子交换

21、的缓慢步骤所引起的阳极过电位，这时电化学反应步骤成为整个电极过程的速率控制步骤； 化学反应过电位是由于电极反应过程中的前置或后继化学反应步骤受阻所引起的过电位。 这两种过电位的实质与大小都取决于相关步骤的活化能大小，所以将这两种过电位统称为“活化过电位”，它们虽然在其本质上有一定区别，但一般都符合Tafel方程： = a + b*lg(i) 2）阳极气膜电阻过电位 覆盖在阳极上的气膜阻碍电流流过，电极有效面积减少，真实电流密度增大，从而提高电极极化电位，表现出阳极过电位；一般随Al2O3浓度的降低和阳极表面积的增大而增加，阳极效应时尤为明显。3）浓差过电位 电极界面区浓度梯度，形成“扩散层”，

22、扩散层的传质过程成为电极过程速率控制步骤，产生 浓差过电位（或扩散过电位）。 一般情况下，阳极气体CO2使阳极界面区电解质产生扰动，避免了浓差极化的产生。但是，当接近阳极效应时，Al2O3浓度降低，出现浓差极化；在特别低的电流密度下，CO2减少，失去对电解质的扰动作用，浓差极化也有可能出现。4）势垒过电位 阳极附近的熔体中非放电离子，如F-、AlF4-、AlF6-等，形成电化学屏障。3 阳极过电压与阳极效应 综上所述，阳极过电位就是这四项之和，即：V阳过=V反应+V气膜+V浓差+V势垒 而阴极过电压只有后面的两项，所以它的值比较小（铝析出时的过电压约10-100mv）。3 阳极过电压与阳极效应

23、阳极效应是铝电解过程中发生在阳极上的一种特殊现象。槽电压急剧升高：4.55伏升高到3040伏；与电解质接触的阳极表面出现许多微小的电弧。原因：由于氧化铝浓度减小所致作用：预告向电解槽加入氧化铝的时间判断电解槽工作是否正常3 阳极过电压与阳极效应返回阳极效应现象1）阳极周围发生明亮的小火花，伴劈啪声；2）阳极周围的电解质有如被气体拨开，阳极与电解质界面上的气泡不再大量析出；3）电解质不再沸腾；4）电压急剧上升（4V3050，甚至100V），灯亮；阳极效应原因1）电解质中缺少氧化铝；2）电流密度大，易发生阳极效应，电流密度越大，发生效应时的氧化铝浓度越高，反之亦然；3）称发生阳极效应时的最低电流密

24、度为“临界电流密度”。阳极效应机理1）润湿性改变学说：熔体中Al2O3浓度低到一定程度时，电解质对炭阳极底掌的润湿性变差，气体覆盖阳极表面，致使电流以电弧形式穿透气膜。2）氟离子放电学说：随着电解过程的进行，电解质中含氧离子逐步减少到一定程度后，氟析出，然后与炭作用：阳极表面形成COF2和CF4的绝缘层；导致阳极崩裂且氟化物分解后又在阳极表面析出微细炭粒，以致电解质不能很好润湿阳极，气膜形成。3）静电引力学说：正常情况下，阳极气泡带正电，被阳极表面排斥；Al2O3%降低时，阳极气泡带负电，在阳极表面聚集，形成气膜，引发阳极效应；4）桥式离子理论：低Al2O3%时，形成桥式离子AlF5-O-Al

25、F56-，易与阳极生成CFn， CFn吸附于阳极表面，改变阳极的润湿性能，排斥电解质，增大阳极电流密度，达到临界电流密度时，引发阳极效应。1）造成电解质过热和挥发损失增加；2）导致系列电流的降低；3）增加额外电耗。4）可反映电解槽工况；5）利用阳极效应清除熔体中的炭渣，烧平阳极底掌，溶解槽底沉淀。阳极效应的作用五、铝电解生产工艺焙烧启动正常生产加料：阳极作业出铝加热阳极、阴极和炉膛，以利于启动。是指在电解槽内熔化电解质和铝，开始电解，然后逐步纳入正常生产。铝电解生产过程正常生产加料出铝阳极作业定时定量地向电解槽中补充氧化铝 电解出的铝定期、定量地从电解槽中取出 定期更换阳极块加料出铝原铝液由电

26、解槽生产出来的铝液，称为原铝液。原铝液含有杂质，必须经过净化处理才能铸锭。作为下一步加工的半成品原料。净化方法有：静置法连续净化法工业电解槽取出的铝液，通常含有三类杂质：金属杂质，如Fe、Na、Ti、V、Zn、Ca等，总量达千分之一或更多； 非金属固态夹杂物，如Al2O3、炭和碳化物等； 气体夹杂物，如H2、CO2、CO、CH4和N2，其中最主要的是氢。这些夹杂物必须尽量除去，否则将影响铝的性能和质量。铝液净化静置法静置法就是在尽可能低的温度下长时间的静止放置。该法可减少铝液中的氢的含量，因为随着温度的降低，氢在铝液中的溶解度降低。往铝液中通入气体，加以搅拌，能够更有效的清除铝液中的氢。如果所

27、通气体为氯气不仅可除去氢，还可以除去部分金属杂质，并吸附固态夹杂物和气态夹杂物使之一并清除。六、铝电解节能理论与技术1 概述2 当代电解槽的技术特点3 当代铝电解槽的工艺技术条件4 铝电解生产的技术经济指标5 铝电解生产电能节省的社会效益6 铝电解节电的技术原理7 降低铝电解生产电能消耗的方法1 概述2009年世界上主要铝生产大国产量（全球3625万吨、中国占35.44 ，消费量占37.07）20062009年我国铝电解产量单位能耗kWh/t-Al产量万吨总能耗占有色行业总能耗占全国电力200714488125986.55.562008143231317.883.65.472009141711

28、284.65.96铝电解能耗大。参数KACC(1984)AP28(1987)SY350(2007)AP50(2008)电流强度/kA195282350500直流电耗/(kWh/kg)13.113.49495.7多年来，国家对铝电解的节能降耗技术研究和基础理论研究投入了大量的资金，工业铝电解槽容量、自动化控制技术和水平有了很大提高，但铝电解生产的直流电耗近2030年来一直徘徊在1300013300kWh/t。大幅度降低铝电解生产的电能消耗符合国家节能减排政策，是国家的重大需求，也是国内外本学科领域重点研究课题。2 当代电解槽的技术特点1)以预焙槽为主，电流300500 kA；2)较低的槽电压和较

29、高的电流效率； 直流电耗1300013300 kWh/t-Al； 综合交流电耗14000 kWh/t-Al；3)新型阴极结构电解槽直流电耗 12000kWh/t-Al。4)使用自动控制技术 (1)槽电压控制； (2)槽电阻控制： 氧化铝浓度对槽电阻有重大影响，计算机通过槽电阻监控 电解质中氧化铝浓度，从而控制电解槽中的氧化铝浓度。5)氧化铝浓度得到监测与严格控制，使阳极效应系数大大降低 有的达到0.01 次/槽天以下。3 当代铝电解槽的工艺技术条件1）电解温度9509702）电解质分子比 2.32.63）电解质水平1820 cm4）铝水平高度1822 cm5）槽 电 压 4.04.3 V 6）

30、电 流 强 度200500 kA4 铝电解生产的技术经济指标 式中 Rc 为交流直流过程的电能转换效率。1）电解效率 CE （1）Al电化学当量：0.3355 kg/(kAh) （2）电流效率定义：2）直流电耗3）可比交流电耗5 铝电解生产电能节省的社会效益1）按吨铝节电 1000 kWh/t-Al 1 kWh = 0.350 kg 标煤 1 kg 标煤2.3 kg CO22）2009年我国铝电解产量 1285 万吨 目前产能大于2000 万吨。按 1000 万吨计算： 可节省 100 亿度电/年 节省 350 万吨标煤/年 减排 805 万吨CO2 /年 6 铝电解节电的技术原理a）降低V平

31、；b）提高 CE。例1：某电解铝厂，电解槽平均电压为4.1伏，CE93。如果槽平均电压降至4.0伏，电能节省：例2：上例中，如槽平均电压不变，将电流效率从93提高到94，电能节省：1）电耗（直流）V平槽平均电压，CE电流效率2）节电的技术原理E0 为氧化铝可逆分解电压； 为阳极反应过电压； 为阴极过电压；Ra 为阳极电阻； Rc 为阴极电阻； Re 为电解质电阻；Rx 为母线电阻；Ve 为效应分摊电压；VB 为槽间电压 和 电解厂房到整流所之间 母线电压降的分摊电压 之和。3）槽电压组成（1）E0 -氧化铝可逆分解电压，根据如下反应的自由能变化得出： 由于G0只是温度的函数，因此E0也是温度的

32、函数，由热力学计算得到，对于炭阳极的铝电解：式中：（2） 阳极过电压（3） 阴极过电压式中：电解质熔体中NaF的活度阴极表面电解质熔体AlF3的活度电解质熔体中AlF3的活度阴极表面电解质熔体NaF的活度（4） 欧姆电压降（5） 效应分摊电压 Ve （6） 槽间电压、厂房外母线分摊电压 VB式中：4）电解槽电流效率（1） 铝电解遵循法拉第定律 阴极电解反应生成的理论铝量 式中：（2） 铝电解槽降低电流效率的原因 a) 二次反应，铝从阴极表面溶解（物理的或化学的） b) 电解槽漏电（很少） （3） 若干技术参数对电流效率的影响 a）温度、过热度；b）电解质成份；c）添加剂；极距影响（左）电解温度

33、981;分子比:2.5;CaF2:5;MgF2:0.1;Al2O3:5;阳极电流密度:0.82A/cm2;界面铝液流速:6.8cm/s氧化铝浓度影响（右）(AlF3浓度过量8.5；5CaF2；电解温度965)e）极距； f）氧化铝浓度；d）槽膛形状；7 降低铝电解生产电能消耗的方法1）提高电解槽的电流效率：提高1，约降低电耗150kWh/t-Al。2）降低槽电压：方法：电解温度过热度电解质成份提高铝液面稳定性降低0.1V，约降低电耗320kWh/t-Al。提高阳极质量、降低阳极电阻；选用石墨化、半石墨化或石墨质的阴极碳块；选用适当电解质成份，添加LiF等，提高电解质的导电性；阳极过电压 很难降

34、低。CE越高、阳极质量越好， ，提高电解温度，会使 ，但 。阴极过电压 。适当高的分子比和电解温度， 。降低母线的电流密度，即加大母线的断面面积，可使母线的电压降降低，但投资增大。目前电解槽母线的投资占铝电解厂房投资的1/7。降低槽电压方法：优化电解槽阳极和阴极母线的结构设计，使电解槽内的铝液有较好的稳定性，可使电解槽的极距降低，使槽电压降低；使用表面具有凸起结构的阴极，可增加电解槽阴极铝液面的稳定性，减少铝液面的波动，实现降低极距，减小槽电压，减少电耗的目的。该技术的发明，引导着当代铝电解槽的一次技术革命。新型阴极结构电解槽目前已在全国大多数铝厂推广使用，平均节电1000kWh/t-Al。七

35、、铝电解槽的物理场1 铝电解槽中的温度场2 铝电解槽中的磁场合理配置母线3 铝电解槽中的流场1 铝电解槽中的温度场研究意义 在铝电解槽内，由于电解质和铝液熔体的温度很高，流动很剧烈，使熔体中的热量不断地向电解槽槽帮和内衬材料传递。在槽内衬中，热量以传导形式经由炭素材料、耐火砖、保温砖以及槽壳等部分传向电解槽的槽壳表面，再由槽壳表面以对流和辐射的形式向周围环境散发。研究铝电解槽的热平衡，即电解槽内各部分结构中的温度分布。若电解槽结构设计合理，生产过程中槽膛侧部和底部的温度适当，能形成规整的槽膛内形，可减少电解槽的水平电流分布，提高电解槽内铝液流动的稳定性，提高电解槽的电流效率。酸性电解质+添加剂

36、，电解质体系初晶温度950-，铝电解槽正常电解温度965 ，外部环境40 侧部槽帮结壳主要成分单斜晶体的冰晶石和氧化铝的共晶体，底部结壳：60-80%的大颗粒刚玉晶体和20-40%的冰晶石组成。电解过程需要保持平稳和安定：温度、电压、铝液高度波动小、槽帮规整稳定。人们追求的目标是电解过程的高效率，意味着铝损失尽量少。铝损失量与槽温呈明显的正相关。 因此欲实现高的电流效率，既要降低电解质初晶温度，也要降低电解质的过热度。 短时期内降低槽温是容易做到的，但会潜伏着今后槽子的热病。电解槽具有一定限度的自调温能力(槽温升高时，槽帮减薄散热，阻止槽温上升;槽温降低，槽帮增厚， 阻止槽温下降， 并多发 A

37、E 提温); 自供料能力(Al2O3浓度下降，炉帮熔化阻止Al2O3浓度下降; Al2O3过饱和时便沉淀下来阻止Al2O3过饱和)，自恒流能力(稍微突出的阳极，电流走得多，一段时间底掌相平后电流分布趋于均匀 ) 和自净化能力(AE能自动清除阳极底掌下的碳渣，保持其活性; 电解质中的碳渣能自动分出并从火眼喷出或燃烧掉)。在铝电解生产中，铝液水平的高低对电流效率影响很大。一般认为，较高的铝液水平，可使电解槽内多余热量传递出去，调节槽温；减弱水平电流与垂直磁场的交互作用力，促进铝液保持稳定，有助于弥补磁场不平衡产生的缺点。较薄的铝液层有利于促使槽底沉淀物熔化，降低铝液波峰的高度，电解槽在较低的极距下

38、生产，避免局部短路。2 铝电解槽中的磁场合理配置母线研究意义 铝电解槽上通过的电流会产生强大的磁场，磁场分布的好坏直接影响到流场分布的好坏，将对铝电解槽的生产操作、电解槽的寿命、电能消耗和电流效率产生巨大影响。 铝电解槽内的磁场与电解质熔体及铝液中的电流相互作用，产生强大的电磁力，使电解质熔体和铝液发生循环流动、界面波动和隆起变形，且磁场对铝电解生产的影响随电流强度的增大而增大。增大铝的溶解损失及被氧化，降低电流效率。铝电解槽磁场分为3部分：（1）母线电流（包括各种母线、阳极棒及阴极棒）产生的磁场（2）阴极炭块、阳极炭块及熔体（熔融电解质和铝液）中电流产生的磁场（3）铁磁材料被磁化后产生的磁场

39、铝电解槽磁场计算（1）（2）应用Biot-Savart定律的线积分和体积分形式计算（3）采用磁衰减系数法/有限元素法/边界元素法3 铝电解槽中的流场研究意义 铝电解槽内的磁场与电解质熔体及铝液中的电流相互作用，产生强大的电磁力，使电解质熔体和铝液发生循环流动、界面波动和隆起变形，增大铝的溶解损失及被氧化，降低电流效率。此外，铝液的循环流动和波动，给生产的稳定操作带来困难。流场分布的好坏对铝电解的生产操作、槽寿命、电能消耗和电流效率产生巨大影响。 铝电解槽内磁场分布通过槽内流场分布体现，二者密不可分，相辅相成。流体力学研究方法理论流体力学实验流体力学计算流体力学数值求解方法熔体运动测量方法 在铝

40、电解槽内，熔体受到重力、压力、粘性力和电磁力作用，产生极其复杂的运动。示踪元素法（放射性元素、Cu、Zn）铁棒熔蚀法计算流场采用的模型 K- 二方程紊流模型有限差分法有限元素法边界元素法八、其它1 病槽的预防2 电压针振和电压摆3 阳极长包4 槽控机5 控制技术6 发展方向1 病槽的预防病槽早期的直观判断法看：主要看电解槽的火苗、电解质颜色和沸腾等情况。火苗呈淡蓝色，强劲有力，电解质颜色红、黄适中，沸腾均匀，属正常槽；，火苗呈蓝紫色，结壳厚，表面一片死沉，电解质颜色发红，形成黑色碳渣结壳封闭表面，电解质沸腾不来，不朝外喷碳渣；属于冷槽的表现；火苗发黄而无力，且到处冒火，电解质颜色发亮，沸腾呈现

41、出翻滚状态，在相对平静的电解质表面飘浮细粉碳末，不结壳等，属于热槽表现。听：电解质沸腾声响。发出咕嘟咕嘟的响声，清脆均匀，属正常槽；电解质沸腾部均匀，响声高低不一，发出“扑哧”声，属于冷槽表现；电解槽翻滚强烈，发出“沙沙”的轻细声，或发出电解质跳跃的撞击声，属于热槽表现。摸： 用大钩大耙触摸炉膛和炉底。炉膛规整，四周伸腿整齐，基本到达阳极边缘正投影下，炉底干净，属于正常槽；伸腿伸向阳极底部，并且长短不一，炉底有沉淀，属于冷槽表现；伸腿短，局部化空，炉膛大，属于热槽表现。测：测阳极电流分布，发现阳极病变和设置情况，通过测电解质温度，发现电解槽热平衡情况，通过测电解质、铝水平、来检查技术条件是否符

42、合要求。计算机在病槽预防方面的作用如果电解槽状态曲线显现出电解槽在8h内发生过电压摆或表示正在电压摆，就说明阳极行程有毛病，槽电压不稳，再根据设定电压与工作电压的差值，可基本判断此类情况的原因或是阳极设置高度不准，或阳极有陀螺、掉块，或是阳极开始长包，便可在现场进行阳极电流测量，找出有病变阳极，去除病根。如果槽状态栏表上效应发生时间和效应间隔栏反映出没有发生效应或突发效应，这种情况说明电解槽出现物料不平衡或热量不平衡等情况（电解槽处于冷槽或物料投入不足会导致突发效应；电解槽处于热槽或物料投入过剩或阳极行程有毛病会导致不来效应），再从加料间隔、铝液高度、电解质高度等其他技术条件分析，判断问题所在

43、。如果每天出现较长时间的电压摆，说明电解槽逐渐走向病态。原因或是电解槽走向热行程，或是阳极行程出现问题。如果效应等待时间比预定的时间一次次提前发生，说明电解槽可能出现物料不足，或可能已走向冷行程，再根据现场观察和加料间隔、槽电压的综合判断，由此推测出发展趋势，及时提出处理办法，把病槽消除在萌芽状态。2 电压针振和电压摆自1886年HanHeroult炼铝法诞生以来，铝电解技术一直朝着大容量、高效能、低能耗方向发展，各项技术指标不断提升，例如电流效率最高可达96，阳极电流密度达0.8Acm2以上，直流电耗低于13000kwht-Al。但是随着槽容量的增加，槽内导体和母线系统内强大电流产生了强大的磁场，两者耦合作用产生的电磁力则驱使电解质与铝液熔体剧烈波动，从而引起槽电压的高频波动针振和低频波动电压摆，且波动振幅超过了设定值。预焙电解槽针振是判断电解槽是否稳定最敏感的标志，也是生产中最突出的问题，它直接影响到电解槽的电流效率，计算机程序的正常监控。预焙电解槽电压针振与摆动最主要的原因是电解槽内的熔体受到内外力影响，使电解质与金属铝液界面形状发生改变，造成槽极间距的变化，引起槽电压周期性波动的一种槽况不稳定现象，一般认为，电解槽内的水平电流与垂直磁场相互作用，产生的电磁力是造成金属铝液界面隆起变形的主要原因；同样，在生产中的工艺参数，如铝液高度、极距等，也