铝电解培训教材1(初稿)

1、PAGE 89 铝的性性质与用用途铝的性质质铝是自然然界中分分布极广广的元素素之一，地地壳中铝铝的含量量为7.35%，仅次次于氧和和硅而居居第三位位。由于于铝是化化学性质质极为活活泼的元元素，所所以在自自然界中中未发现现单质的的金属铝铝，而是是以铝的的各种化化合物存存在。铝土矿是是现在的的主要炼炼铝原料料，此外外还有明明矾石等等，世界界铝土矿矿总储量量3200亿吨以以上，我我国山西西、河南南、山东东和广西西等地蕴蕴含着丰丰富的铝铝土矿。从铝土土矿或其其他含铝铝原料中中生产氧氧化铝，实实质上是是将矿石石中的AAl2O3与SiiO2、Fee2O3、TiiO2等杂质质分离的的过程。炼铝的历历史可分分

2、为两个个阶段，分分别为化化学法炼炼铝阶段段与电解解法炼铝铝阶段。尽管在自自然界中中含有极极为丰富富的铝，但但铝第一一次制取取出来却却是不到到二百年年前的事事。18825年年丹麦的的厄尔施施泰（HHCOerrsteed）在在实验室室中用钾钾汞齐还还原无水水氯化铝铝（AllCl33）,在在世界上上第一次次得到铝铝。18845年年法国人人戴维尔尔（HSDevvillle）用用钠还原原NaCClAlCCl3混合盐盐也得到到金属铝铝，并在在法国进进行小规规模生产产。到118777年电解解法投产产以前，世世界上仅仅用化学学法生产产金属铝铝，这一一阶段，铝铝产量极极低，使使铝成为为世界上上极为昂昂贵的金金属

3、之一一。18886年年，美国国的霍尔尔和法国国的埃鲁鲁特发明明了冰晶晶石氧化铝铝熔盐电电解法炼炼铝，很很快电解解铝取代代了化学学法，而而且产量量迅速提提高，成成本迅速速下降，到到目前为为止的百百年间，铝铝工业发发展成为为仅次于于钢铁工工业的第第二大金金属冶炼炼工业。铝是一种种具有银银白色光光泽的金金属，常常温下其其比重只只有2.7 gg/cmm3,是一一种轻有有色金属属，它的的主要特特性如表表111。表1-11 铝的主主要特性性 原子序数数13密度（gg/cmm3）2.6999(固固)、22.3(液)原子价3溶点（）659沸点（）24677熔化盐（JJ/ gg）386.6导热系数数（J/cmS

4、）2.088（固，220）、22.188（固，2200）导电系数数（100-4-1cm-11）36337（220）电化学当当量（g/AAh）0.33356（Ahh/g）2.9880铝的用途途铝可与许许多金属属形成合合金,某某些铝合合金的机机械强度度很高,而且仍仍保持着着质轻的的优点,因此铝铝被广泛泛用于制制造飞机机的外壳壳、火车车、汽车车的车箱箱，以及及快速转转动的零零部件等等。铝是一种种优良的的导电材材料，仅仅次于金金、银、铜、水水银。然然而，与与单位重重量导电电性而议议，铝比比其他任任何金属属的导电电性都好好。按照照传导等等量电流流计算，铝铝的导电电截面是是铜的11.6倍倍，而重重量只有有

5、铜的一一半。因因此铝广广泛用于于电气工工业和无无线电工工业。铝具有良良好的导导热性，反反光性。铝的导导热性是是不锈钢钢的100倍，它它是制造造活塞，热热交换器器，饭锅锅，电烫烫斗等传传热设备备的理想想材料。同时利利用铝具具有良好好的反光光和热的的性能，制制造反光光镜，隔隔热板，又又可用来来制作保保温材料料。铝极富延延展性，很很容易进进行机械械加工，轧轧制，切切削，拉拉丝，压压延，锻锻造等。铝具有良良好的防防腐性能能。铝在在空气中中表面生生成一层层致密、光亮、坚硬、透明的的氧化铝铝薄膜，起起到天然然保护层层作用。所以，铝铝是经久久耐用的的建筑材材料，在在建筑业业和装饰饰业上获获得广泛泛应用。铝没

6、有毒毒性，用用它来包包装食品品及化学学用品不不会影响响味道和和质量，对对人体不不会带来来危害。铝不带磁磁性，也也不会产产生附加加磁性，故故广泛用用来制造造精密仪仪器。总之，铝铝是当今今电力、冶金、轻工、化工、航空航航天、机机械、建建筑、食食品等许许多行业业不可缺缺少的重重要原材材料，它它和钢铁铁一样，已已成为现现代经济济起飞的的基础。铝的优优异性能能和丰富富藏量，将将使铝工工业成为为最有前前途的重重要产业业之一。第二章 铝铝电解基基本理论论知识铝的工业业生产，一一直采用用冰晶石石氧化铝铝熔盐电电解法。本章以以冰晶石石氧化铝铝熔盐电电解为基基础，介介绍有关关铝电解解的基本本理论知知识。铝电解基基

7、本原理理电解是指指借直流流电的作作用，在在阴阳极极两极上上实现电电化学反反应的过过程。也也就是说说当直流流电通过过电解质质时，电电解质的的某种成成份在电电极上分分离出来来，这种种现象称称为电解解。更简简单地说说电解是是由化合合物经电电离放电电到变成成原子的的过程。根据法拉拉第定律律指出,对任何何物质,通过9964885库仑仑(即226.88安培时)应应析出一一克当量量铝(即即8.999388克),那么通通过1安安培时,应应析出00.33356克克铝。因因此，铝铝的电化化学当量量是在电电解质通通过1安安培时电量量时,理理论上应应析出00.33356克克铝。在铝电解解生产中中用法拉拉第定律律计算理

8、理论产量量时，其其公式如如下：MKITM理理论产铝铝量（克克）K铝铝的电化化学当量量（克/安培时）I通通过的电电流（安安培）T通通过的时时间（小小时）铝电解生生产的电电流效率率是指铝铝电解过过程中，原原铝实际际产量与与原铝理理论析出出量的百百分比（%）。用用公式表表示为：电流效率率=1000%=1000%由于铝电电解过程程中，在在两极上上发生二二次反应应、铝的的溶解损损失、钠钠离子的的析出、炭化铝铝的生成成、电流流的损失失和电流流的空耗耗、及其其它机械械损失等等因素的的影响，实实际上在在阴极上上所得到到金属铝铝的数量量远低于于理论上上应得到到的数量量，因此此电流效效率应小小于1000%，而而一

9、般在在8696%之间。铝电解生生产所需需的大宗宗原材料料大致可可分为三三大类：a.原料料氧化化铝b.熔剂剂氟化化盐（包包括冰晶晶石、氟氟化铝、氟化钠钠、氟化化钙、氟氟化镁、氟化锂锂等）c.阳极极材料阳极极糊或预预焙炭块块氧化铝是是铝电解解生产过过程的主主要原料料，其熔熔点很高高（20050），不不易直接接熔化提提炼铝。但是，固固体氧化化铝可以以部分地地溶解在在熔点较较低的冰冰晶石熔熔融液中中，形成成均匀熔熔体，并并且此溶溶体具有有良好的的导电性性，这使使得铝的的电解冶冶炼能在在低于氧氧化铝熔熔点较多多的条件件得以实实现。固固体氧化化铝溶解解在熔融融冰晶石石熔体中中，当通通入直流流电后，即即在两

10、极极上发生生电化学学反应，在在阳极上上得到气气态物质质，阴极极上得到到液态铝铝，其过过程为：溶解的氧氧化铝液液态铝(阴极)+气态态物质(阳极)。生产一吨吨金属铝铝，理论论上需要要氧化铝铝18889kgg,但实实际上则则需1992519440kgg。铝的工业业生产全全部采用用炭阳极极，随着着电解过过程的进进行，炭炭阳极参参与电化化学反应应，生成成碳的化化合物二氧化化碳（CCO2）反应应式为：2Al22O3+1.5C22Al1.55CO22在阴极上上：All3+(络络合物)+6ee2All（液）在阳极上上：O22（络合合状）+4eeCO2（气） 上述反反应过程程是当今今铝生产产的基本本原理。随着反

11、反应不断断进行，电电解质熔熔体中的的氧化铝铝和固体体炭阳极极不断被被消耗掉掉，生产产中需不不断向电电解质熔熔体中添添加氧化化铝和补补充炭阳阳极，使使生产得得以连续续进行。冰晶石石在理论论上不消消耗，但但在高温温熔融状状态下会会发生挥挥发损失失和其他他机械损损失，因因此，电电解过程程中也需需作一定定的补充充。除此此之外，反反应过程程中还需需供给大大量的直直流电能能（约为为130000150000kkwh/tAAl）以以推动反反应向生生成铝的的方向进进行。第二节 铝电解解质及其其性质1. 电电解质的的组成在铝电解解生产过过程中，连连接阳极极和阴极极之间的的熔盐体体叫电解解质。更更确切地地说，熔熔盐

12、电解解质是以以冰晶石石为熔剂剂，氧化化铝为熔熔质，组组成的冰冰晶石氧化铝铝熔体为为主，其其它氟化化盐为添添加剂，这这种熔融融体叫电电解质。2熔剂剂的特性性在电解过过程中，液液体电解解质是保保证电解解过程能能够进行行的重要要条件之之一。液液体电解解质即指指冰晶石石氧化铝铝均匀熔熔融体，其其主要成成份是冰冰晶石。（占885%左左右）。冰晶石石的化学学式为NNa3AlFF6( 或或3NaaFAlFF3)。冰晶石中中所含氟氟化物钠钠摩尔数数与氟化化铝摩尔尔数之比比，称为为冰晶石石的摩尔尔比（俗俗称分子子比），其其表达式式为：冰晶石的的摩尔比比（分子子比） 摩尔比等等于3的的冰晶石石称为中中性冰晶晶石，

13、冰冰晶石的的摩尔比比即可大大于3，也也可小于于3，大大于3的的称为碱碱性冰晶晶石，小小于3的的称为酸酸性冰晶晶石。工业上也也将冰晶晶石中氟氟化钠与与氟化铝铝的组成成比用质质量比表表示，在在比值上上，摩尔尔比是质质量比的的2倍，如如摩尔比比等于33的冰晶晶石，其其质量比比等于11.5。摩尔比等等于3的的冰晶石石形成的的电解质质称为中中性电解解质，摩摩尔比大大于3的的冰晶石石形成的的电解质质称为碱碱性电解解质，摩摩尔比小小于3的的冰晶石石形成的的电解质质称为酸酸性电解解质。目目前铝工工业上均均采用酸酸性电解解质生产产。3初晶晶温度初晶温度度是指液液体开始始形成固固态晶体体的温度度。固态态晶体开开始

14、熔化化的温度度称为该该晶体的的熔点。初晶温温度与熔熔点的物物理意义义不同，但但在数值值上相等等。冰晶石氧化铝铝均匀熔熔体电解解质其初初晶温度度随氧化化铝含量量增多而而降低。电解质质的摩尔尔比（分分子比）降降低，其其初晶温温度也随随之降低低，但氧氧化铝的的溶解量量也会降降低。电解生产产中需要要电解质质的初晶晶温度越越低越好好，这样样可以降降低工作作温度（工工作温度度一般控控制在初初晶温度度以上110220范围）。工作温温度越低低，减少少设备变变形，延延长设备备使用寿寿命，工工人劳动动环境改改善，电电解质挥挥发损失失小。而而且，更更重要一一点，电电解过程程中电流流效率随随电解温温度降低低而提高高，

15、即可可以降低低电能消消耗，又又可以增增加产量量。4. 密密度密度是指指单位体体积的某某物质的的质量,其单位位为g/cm33。工业铝电电解质溶溶体的密密度随温温度的升升高，氧氧化铝含含量增多多而降低低。实际际生产中中需要电电解密度度较低为为好，铝铝电解生生产中，铝铝与电解解质是两两种相溶溶性很小小的液体体，铝水水的密度度比电解解质大，故故沉于电电解槽底底部，它它们之间间的分离离靠两种种溶体的的密度差差来实现现。因铝铝水的密密度一定定，只有有减小电电解质熔熔体的密密度来增增大其密密度差来来实现，从从而使两两种液体体良好分分离。5导电电度导电度称称为比电电导或导导电率，它它是物体体导电能能力大小小的

16、标志志，通常常用比电电阻的倒倒数来表表示。单单位为：-1cm-11。在电解质质熔体中中，随着着氧化铝铝浓度的的增加，电电解质的的导电度度减少。工业电电解质的的导电度度一般在在2.11322.222-1cm-11范围内内，生产产中需要要电解质质具有大大的导电电度。电电解质导导电性越越好，其其电压降降就越小小，越有有利于降降低生产产能耗。6. 粘粘度粘度是表表示液体体中质点点之间相相对运动动的阻力力，也称称内摩擦擦力，单单位为PPaS(帕帕秒)。熔体内内质点间间相对运运行的阻阻力越大大，熔体体的粘度度越大。工业铝电电解质的的粘度一一般保持持在310-33PaS左右右，过大大或过小小，对生生产不利利

17、。电解解质粘度度过大，会会降低氧氧化铝在在其中的的溶解速速度，会会阻碍电电解质中中碳渣分分离和阳阳极气体体的逸出出，给生生产带来来危害。但电解解质粘度度过小，会会加快电电解质的的循环，加加快铝在在电解质质中的溶溶解损失失，降低低电流效效率，而而且加快快氧化铝铝在电解解质中的的沉降速速度，造造成槽沉沉淀。7部分分添加剂剂对电解解质性质质的影响响及特点点 添加加剂AllF3、CaaF2、MggF2的共同同优点： 增增大铝液液与电解解质间的的界面张张力，降降低铝的的溶解损损失； （按按wt%计， AlFF3 MgFF2 CaFF2） 降降低初晶晶温度（ MgFF2 CaFF2 AlFF3）。 添加加

18、AlFF3、CaaF2、MggF2的共同同缺点： 降降低电解解质的导导电率（ AlFF3 MgFF2 CaFF2）； 降降低氧化化铝的溶溶解度（ AlFF3 MgFF2 CaFF2）。 添加加AlFF3（降低低分子比比）与添添加CaaF2MggF2的不同同特点：MgFF2、CaaF2： 增增大电解解质与炭炭间界面面张力，能能降低电电解质在在阴极炭炭块中渗渗透,有有利于炭炭渣分离离,可能能不利AAE控制制（不利利气泡排排出）； 增增大电解解质粘度度，不利利于炭渣渣分离（与与上条特特性矛盾盾）, 不利于于铝珠与与电解质质分离（有有损电流流效率）不不利于较较大幅度度降低温温度； 增增加电解解质的密密

19、度（88%以下下时, MgFF2 CaFF2，8%以上时时，则反反之）； 不不仅降低低氧化铝铝溶解度度，且还还降低氧氧化铝溶溶解速度度； 促促进边部部结壳生生长。AlFF3： 降降低电解解质与炭炭间界面面张力（优优点、缺缺点正好好与MggF2CaaF2相反）； 降降低电解解质粘度度（正好好与MggF2CaaF2相反）； 降降低电解解质密度度（正好好与MggF2CaaF2 相反反）； 虽虽降低氧氧化铝溶溶解度，但但对氧化化铝溶解解速度几几乎无直直接影响响； 增增大电解解质挥发发损失（无无烟气净净化时，损损失大）。 添加加LiFF的作用用：优点：降降低初晶晶温度（ LiFF MgFF2 CaFF2

20、 AlFF3）；提提高导电电率；降降低电解解质密度度。利用用LiFF可降低低初晶温温度和提提高电导导率的特特点，可可强化电电流（每每增加11% LLiF，电电流可提提高1.25%，同时时基本维维持过热热度不变变，电耗耗可降低低）。 缺点：降降低氧化化铝的溶溶解度和和溶解速速度；价价格较昂昂贵。总总的来讲讲，含锂锂的电解解质其电电流效率率不如高高AlFF3的好，主主要是沉沉淀问题题。理论和实实践表明明电解质质分子比比降低，电电流效率率提高。80年代代以来，国国外现代代化大型型预焙槽槽上流行行使用分分子比为为2.112.3的电电解质，不不添加其其他添加加剂。 理论及及生产实实践表明明，每加加1%

21、AlFF3 ，就就增加电电流效率率0.55% 。但如果分分子比过过低（AAlF33含量过过高）则则： a. 减小了了电解质质导电率率； b. 减小了了氧化铝铝溶解度度； c增增大了电电解质的的挥发损损失； d增增大了AAl4C3的溶解解损失（阴阴极和内内衬的腐腐蚀增大大）； e. 易生成成铝的低低价氟化化物而增增加铝损损( 减减低电效效 ); f. 操作困困难，对对控制要要求高。 因因此，不不能稳定定保持的的低分子子比并非非能得到到高电流流效率的的结果。 整整体电解解质成分分对基本本性质的的影响见见下表221表211 电电解质成成份对其其基本性性质的影影响电解质性性质电解质熔熔点（）氧化铝溶溶

22、解度（%）比重（gg/cmm2）粘度（PPas）挥发性导电率（欧欧姆厘米）表面张力力和湿润润性增加氟化化钠含量量降低提高降低降低提高降低增加氟化化铝含量量降低降低降低降低增加降低增加增加氟化化钙含量量降低降低增加降低增加增加氟化化镁含量量降低降低增加降低增加增加氧化化铝含量量降低降低增加降低降低提高电解解质温度度提高降低降低增加提高降低炭粒含量量增加增加降低降低8. 两两极副反反应在铝电解解过程中中,除前前面讲的的两极主主反应外外,同时时在两极极上还发发生着一一些复杂杂的副反反应.这这些副反反应对生生产有害害无益,生产中中应尽量量加以遏遏制。 阴极极副反应应 铝在在电解质质中的溶溶解反应应和损

23、失失:在铝电解解过程中中，处于于高温状状态下的的阴极铝铝液和电电解质的的接触面面上，必必然有析析出的铝铝溶解在在电解质质中，一一般认为为，阴极极铝液在在电解质质里的溶溶解有以以下几种种情况：a. 溶溶解在熔熔融冰晶晶石中的的铝，生生成低价价铝离子子和双原原子的钠钠离子。 2All+All333Al Al+6NaaAll3+33Na22 在碱性性电解质质中，铝铝与氟化化钠发生生置换反反应。 Al3NaaFAAlF333NNa2 铝以电电化学反反应形式式直接溶溶解进入入电解质质熔体中中。 All(液)eAl 金属属钠的析析出:在阴极的的主反应应是析出出铝而不不是钠,因为钠钠的析出出电位比比铝低。但

24、随着着温度升升高，电电解质分分子比增增大，氧氧化铝浓浓度减小小，以及及阴极电电流密度度提高，钠钠与铝的的析出电电位差越越来越小小，而有有可能使使钠离子子与铝离离子在阴阴极上一一起放电电，析出出金属钠钠。 Naa+eNa在碱性电电解质中中，溶解解的铝也也可能发发生下列列反应而而置换出出钠。 All+6NNaFNa33AlFF6+3NNa析出的钠钠少部分分溶解在在铝中，剩剩下的一一部分被被阴极碳碳素内衬衬吸收,一部分分以蒸汽汽状态挥挥发出来来,在电电解质表表面被空空气或阳阳极气体体氧化,产生黄黄色火焰焰。 碳化化铝（AAl4C3）的生生成:在高温条条件下，铝铝可与碳碳发生反反应生成成碳化铝铝 4A

25、ll+3CCAll4C3 阳极极副反应应 阳极极效应: 阳极极效应是是铝电解解过程中中发生在在阳极上上的一种种特殊现现象。a. 阳阳极效应应发生的的机理：阳极效应应的发生生，是阳阳极表面面性质，电电解质的的性质和和阳极气气体性质质改变的的综合结结果。在在正常电电解时，电电解质中中的氧化化铝含量量较高，此此时在阳阳极上总总是含OO2-离子子放电，连连续析出出CO22和COO气体。由于阳阳极表面面总是新新鲜的,电解质质有足够够的湿润润能力,于是析析出的气气体则以以小的气气泡逸出出。随着着氧化铝铝含量的的逐渐减减少，FF-离子开开始放电电（与OO2-离子子一起放放电），生生成碳氟氟类络合合物，而而后

26、分解解生成CCOF22或CFF4。因此此，改变变了阳极极气体成成分的同同时，也也改变了了阳极的的表面性性质。电电解质对对阳极的的湿润变变坏，由由于气体体薄膜的的作用，和和阳极表表面性质质改变而而电阻增增大，则则电压升升高，于于是阳极极效应发发生。b. 阳阳极效应应现象：当阳极效效应时,在阳极极与电解解质接触触的周边边上,出出现许多多细小的的弧光闪闪烁,电电解质像像小雨点点似的沿沿阳极上上溅,并并可听到到咝咝的的响声。槽电压压骤升到到数十伏伏，并联联在电压压表上的的指示信信号灯也也亮了起起来。c. 阳阳极效应应产生原原因:主要原因因是电解解质中AAL2O3含量降降低，使使阳极临临界电流流密度下下

27、降，电电解质在在阳极表表面上的的湿润性性变坏。临界电电流密度度是指在在一定条条件下，发发生阳极极效应时时的阳极极电流密密度。它它随氧化化铝浓度度减少而而减小，还还与电解解质温度度、阳极极材料、电解质质成份等等因素有有关。 d. 阳极效效应的影影响与危危害性：发生阳极极效应时时电压骤骤升，挥挥发剧烈烈，消费费大量的的电能和和各种原原材料，又又影响铝铝水品位位，增加加劳动量量，恶化化环境等等。但偶偶尔发生生阳极效效应，可可清理电电解质中中的碳渣渣，对冷冷槽可用用阳极效效应提供供热能调调整热平平衡等。9. 铝铝的二次次反应冰晶石氧化铝铝熔盐电电解阳极极一次产产物是二二氧化碳碳气体，但但是在所所有工业

28、业电解槽槽帮上对对阳极气气体的测测量结果果均不是是1000%的二二氧化碳碳，一氧氧化碳的的产生一一般认为为是电解解发生反反应的同同时，伴伴随着一一系列副副反应所所致，主主要过程程为溶解解于电解解质中的的铝被带带到阳极极区间与与二氧化化碳接触触而被氧氧化，即即铝的二二次反应应。 22Al(溶解的的) 3COO2All2O33CCO此外，由由于碳阳阳极散落落掉渣，分分离后飘飘浮在电电解质表表面，当当二氧化化碳气体体与这些些碳渣接接触时，会会发生还还原反应应而生成成一氧化化碳。 CCCOO22CCO在阳极副副反应中中，铝和和二氧化化碳的反反应是电电解过程程中降低低电流效效率的主主要原因因，生产产中应

29、尽尽量控制制这类不不利反应应的发生生。第三章 铝铝电解生生产概况况 铝电解解生产流流程现代铝工工业生产产采用冰冰晶石氧化化铝融盐盐电解法法。熔融融冰晶石石是溶剂剂，氧化化铝是溶溶质被溶溶解，以以碳素作作为阳极极（预焙焙阳极块块），铝铝液作为为阴极，通通入直流流电流后后，在99409770下，电电解槽两两极上进进行电化化学反应应，即电电解。阳阳极产物物主要是是二氧化化碳和一一氧化碳碳气体，但但其中含含有一定定量的氟氟化氢（HHF）等等有害气气体和固固体粉尘尘，须对对阳极气气体进行行净化处处理，除除去有害害气体和和粉尘后后排入大大气。阴阴极产物物是铝液液，铝液液通过真真空抬包包从槽内内抽出，送送往

30、铸造造车间，在在混合炉炉内净化化澄清之之后，浇浇注成铝铝锭，或或生产其其它铸造造产品等等。其生生产工艺艺流程图图如下图图311：送炭素公司 排入大气残极块 预焙阳极块 直流电 氟化盐 新鲜氧化铝 净化后烟气 预焙阳极块组 含氟氧化铝 电解槽烟气 残极块组 铝 液 大修废料送渣场 图3-1 铝电解生产工艺流程图铝电解生生产原辅辅材料 1. 氧化铝铝： 氧化化铝是一一种白色色粉状物物，熔点点为20050，沸点点为30000，真密密度为33.5-3.66g/ccm3，容积积比重为为1 gg/cmm3 。它它的流动动性好，不不溶于水水，能溶溶解在熔熔融的冰冰晶石中中。它是是铝电解解生产的的主要原原材料

31、。 氧化化铝在电电解生产产中的作作用是：a. 不断地地补充电电解质中中的铝离离子，使使其浓度度保持在在一定的的范围内内，保证证电解生生产的持持续进行行；b.氧化铝铝覆盖在在电解质质壳面上上可以起起到良好好的保温温作用，覆覆盖在阳阳极炭块块上防止止阳极氧氧化；cc.在烟烟气干法法净化系系统中充充当吸附附剂，用用来吸附附电解烟烟气中的的氟化氢氢（HFF）气体体。 在化化学纯度度方面，要要求氧化化铝中杂杂质含量量和水份份要低。因为氧氧化铝中中那些电电位正于于铝元素素的氧化化物，例例如SiiO2(二氧氧化硅)和Fee2O3(氧化化铁)，在在电解过过程中会会被铝还还原，或或者优先先于铝离离子在阴阴极析出

32、出。析出出的硅、铁，进进入铝内内，降低低铝的品品位，而而那些电电位负于于铝元素素的氧化化物，如如Na22O、CCaO（氧氧化钙）会会分解冰冰晶石，一一是引起起氟化盐盐消耗，二二是增加加铝中的的氢含量量，三是是产生氟氟化氢气气体，污污染环境境。P22O3（五氧氧化二磷磷）会影影响电流流效率。氧化铝铝的化学学成分要要求见表表3-11。表3-11 国产氧氧化铝质质量标准准（YSS/T2274-19998）氧化铝的的化学成成分等级牌号化学成份份（）Al2OO3含量不少于杂质含量量不大于于SiO22Fe2OO3Na2OO灼碱一级二级三级四级AO-11AO-22AO-33AO-4498.6698.4448

33、.3398.220.0220.0440.0660.0880.0220.0330.0440.0550.5000.6000.6550.7001.01.01.01.0 除化学学成分外外，中间间点式下下料预焙焙槽对氧氧化铝的的物理性性能有特特殊要求求: a. 具具有较小小的吸水水性，在在电解质质中溶解解性好；b粒度度适宜，加加料时飞飞扬损失失少，能能严密地地覆盖在在阳极炭炭块上，防防止阳极极在空气气中氧化化；c. 保保温性能能好，活活性大，从从而能有有效地吸吸收HFF气体。d. 安安息角：3538。根据氧化化铝的物物理性能能不同，可可分为三三类：砂砂状、粉粉状和中中间状，下下表32列出出三种氧氧化铝的

34、的特性。表3-22 不不同类型型氧化铝铝的特性性氧化铝类类型安息角（）灼 减减（）累 计计 （）-44m-74m砂 状状中间状粉 状状3040451.00.50.55 -11530-44050-66040-55060-77080-990 因为砂砂状氧化化铝具有有流动性性好，溶溶解快，对对氟化氢氢气体吸吸附能力力强等优优点，正正好满足足预焙槽槽的生产产。生产产一吨铝铝所需要要氧化铝铝，从理理论上计计算为118899公斤，实实际上由由于氧化化铝不纯纯及运输输，加工工时的损损失，生生产一吨吨铝实际际需要氧氧化铝约约19225119400公斤氧氧化铝。2. 氟氟化盐： 铝电解解生产中中所用氟氟化盐主主

35、要是冰冰晶石和和氟化铝铝，其次次有一些些用来调调整和改改善电解解质性质质的添加加剂，如如：氟化化镁、氟氟化锂、氟化钙钙、氟化化钠。 冰晶晶石冰晶石分分天然和和人造两两种，由由于天然然冰晶石石在自然然界中储储量很少少，不能能满足工工业之用用，故铝铝工业均均用人造造冰晶石石。冰晶晶石分子子式为NNa3AlFF6,或写写成为33NaFFAlFF3。国产冰晶晶石和氟氟化铝的的质量标标准如表表3-33和表33-4。表3-33 国产产冰晶石石的质量量标准（GGB/TT42991-119999）等级化 学 成 分分，不小于不 大 于FAlNaSiO22Fe2OO3CaOSO2-4P2O55H2O灼减特级53

36、13320.2550.0550.1000.70.0220.42.5一级5313320.3660.0880.1551.20.0330.53.0二级5313320.4000.1000.2001.30.0330.83.0表3-44国产氟氟化铝的的质量标标准（GGB/TT42992-119999）等级化 学 成 分分，不小于杂 质，不不大于FAlNaSiO22Fe2OO3SO2-4P2O55灼减特一级6130.000.50.2880.1000.50.0440.5特二级6030.000.50.3000.1330.80.0441.0一级5828.223.00.3000.1331.10.0446.0 氟化化

37、钙 氟化钙钙分子式式为CaaF2, 其俗俗名为萤萤石粉，是是一种经经过精选选品位很很高的天天然矿物物质。在在正常的的铝电解解生产中中，往电电解质中中添加一一定数量量的氟化化钙能降降低电解解质的熔熔点，多多被用于于电解槽槽启动前前装炉，其其作用是是对炉帮帮形成有有好处，可可形成比比较坚固固的炉帮帮。 氟化化钠 氟化钠钠的分子子式为NNaF, 是一一种白色色粉末，易易溶于水水。是铝铝电解质质的一种种添加剂剂，用以以调整由由于新槽槽的炭素素内衬选选择性吸吸收钠盐盐及装炉炉时装入入大量低低分子比比冰晶石石所造成成的分子子比下降降。一般般由于新新槽开动动也用碳碳酸钠（曹曹达）代代替氟化化钠，这这样更加加

38、经济且且能加速速电解质质的沸腾腾与循环环，有助助于电解解质成份份均匀。 氟化化锂 氟化锂锂分子式式为LiiF，是是铝电解解生产的的一种良良好的添添加剂，它它可以降降低电解解质的初初晶温度度，增加加电解质质的导电电度，改改善电解解质的性性质，比比氟化镁镁、氟化化钙效果果更显著著，但氟氟化锂比比较昂贵贵，铝电电解厂有有时用碳碳酸锂（LLi2CO3）代替替氟化锂锂，降低低成本。3.阳极极材料:在铝电解解生产过过程中，阳阳极是在在高温下下与具有有很强侵侵蚀性的的冰晶石石熔液直直接接触触，能够够受这种种侵蚀又又有良好好的导电电性，价价格低廉廉的材料料唯有炭炭素材料料。预焙焙阳极块块是预焙焙电解槽槽的阳极

39、极材料，它它是由焦焦炭按不不同的粒粒度组成成，与一一定比例例的沥青青配料、混捏，振振动成型型，经过过高温焙焙烧而成成。为了保证证阳极块块上槽后后，电解解生产能能够顺利利进行，对对预焙阳阳极块必必须有严严格的质质量要求求, 预预焙阳极极块的理理化标准准见表335。表355铝电解解用预焙焙阳极质质量标准准（YSS/T2285-19998）牌号灰分电阻率.mm热膨胀率率CO2反反应性Mg/(cm22.h)耐压强度度MPa体积密度度g/cmm3真密度g/cmm3不大于不小于TY-110.500550.45545321.5002.000TY-220.800600.50050301.5002.000TY-

40、331.000650.55555291.4882.000除理化指指标外，在在外观上上也有严严格要求求：a.成品品表面粘粘接的填填充料必必须清理理干净。b.成品品表面的的氧化面面积不大大于该表表面面积积的200，深深度不得得超过55mm。c.成品品掉棱长长度不大大于3000mmm，深度度不大于于60mmm,不不得多于于两处。d.棒孔孔或孔边边缘裂纹纹长度不不大于880mmm，孔与与孔之间间不能有有连通裂裂纹。e.大面面裂纹长长度不大大于2000mmm，数量量不多于于3处。组装后的的碳块，外外观要求求：a.铝导导杆弯曲曲度不大大于155mm；b.组件件焊缝不不脱焊，爆爆炸焊片片不开缝缝；c.磷生生

41、铁浇注注饱满平平整，无无夹渣和和气泡。要求碳阳阳极含杂杂质尽量量少，特特别是铁铁、硅、矾、钛钛、镍、硫等氧氧化物。这些杂杂质不仅仅影响碳碳阳极理理化指标标，而且且会在电电解过程程中进入入铝液而而影响铝铝的纯度度或影响响电流效效率，对对生产不不利。第四章 铝电电解槽的的结构铝冶金的的发展概概况18866年美国国人霍尔尔（Haall）与与法国人人埃鲁特特（Heerouult）不不约而同同地提出出了利用用冰晶石石氧化化铝熔盐盐电解法法炼铝的的专利，开开创了电电解法炼炼铝阶段段，最初初是采用用小型预预焙电解解槽，二二十世纪纪初出现现了小型型侧部导导电的自自焙阳极极电解槽槽，二十十世纪四四十年代代出现了

42、了上部导导电的自自焙阳极极电解槽槽，五十十年代起起大型预预焙阳极极电解槽槽的出现现，使电电解铝技技术迈向向了大型型化、现现代化发发展的新新阶段，电电解槽容容量到目目前为止止世界最最大电解解槽容量量已达到到5000KA，电电解槽的的设计、安装、操作控控制都建建立在现现代技术术的基础础上，电电解炼铝铝的技术术经济指指标和环环境保护护水平都都全然改改观、远远非往昔昔可比。一百多年年来，铝铝电解槽槽的结构构有许多多改进，其其中以阳阳极结构构的变化化最大，阳阳极结构构所经历历的顺序序大致是是：小型型预焙阳阳极侧部导导电自焙焙阳极上部导导电自焙焙阳极大型不不连续预预焙阳极极及连续续阳极中间下下料预焙焙阳极

43、。至今为为止电解解炼铝虽虽然仍旧旧是建立立在霍尔尔-埃鲁鲁特的冰冰晶石氧化铝铝熔盐电电解的基基础上，但但是无论论是理论论上还是是工艺上上都取得得了长足足的进步步，并继继续向前前发展。20033年前，南南平铝业业公司电电解铝生生产主要要采用的的是300kA、60kkA侧插插自焙阳阳极电解解槽，该该槽型及及生产工工艺技术术属于国国外500年代以以前的落落后技术术，技术术经济指指标差，耗耗能大；自动化化水平低低；电解解烟气污污染严重重，不能能有效治治理，是是国家限限期改造造和淘汰汰的槽型型和工艺艺，因此此电解铝铝技术改改造势在在必行。南平铝铝业顺应应时势，本本着高起起点、高高标准、高技术术的原则则将

44、原有有的600KA侧侧插自焙焙槽进行行更新换换代，优优化升级级，改造造成接近近当今国国际先进进水平的的高产、高效、低能耗耗、低污污染的2240KKA大型型中间点点式下料料预焙槽槽。南平铝业业的年产产7.33万吨电电解铝技技改工程程由贵阳阳铝镁设设计研究究院设计计，总槽槽数1112台，工工程建设设与投产产分三期期进行，现现已全部部投产： 20003年年6月一一期566台槽正正式投产产，20003年年11月月二期226台槽槽陆续投投产，220066年7月月三期330台槽槽正是投投产。第二节 电解解槽的工工艺特点点与技术术参数1. 南南平铝业业的2440kAA预焙铝铝电解槽槽具有如如下技术术特点：

45、大容容量(高高产) 2400kA预预焙槽具具有大容容量的鲜鲜明特点点，其单单槽日产产原铝可可达118166.5kkg，且且具有单单位面积积产能高高的特点点，电解解槽平方方米单位位面积产产铝量45kkg，处处于国内内铝电解解领先水水平。 高电电流效率率(高效效) 2400kA预预焙槽电电解生产产可以获获得高的的电流效效率，其设计计电流效效率为994。 低投投资 2400kA预预焙槽具具有电解解系列基基建投资资低的特特点，在电解解系列等等规模条条件下，比比2000kA预预焙电解解系列节节约投资资6。 低能能耗 2400kA预预焙槽电电解生产产的吨铝铝直流电电耗可达达到1333200kW.h及以以下

46、。 低污污染240kkA预焙焙槽采用用密闭电电解生产产，其其电解系系列采用用先进的的干法净净化系统统，吨铝铝氟排放放量降低低到1.0kgg以下。综上所述述，2240kkA预焙焙槽具有有高产、高效、低投资资、低能能耗、低低污染等等技术特特点。2. 2240KKA电解解槽设备备配置优优势有： 优化化的母线线配置结合国外外先进铝铝厂母线线配置的的经验，采采用先进进的电、磁及磁磁流体动动力学数数学模型型及计算算机模拟拟技术设设计的大大面“四点进进电”母线配配置，可可使电解解槽获得得最佳的的磁流体体动力学学效果和和稳定性性，并采采用“当量优优化法”模型对对母线系系统的断断面和电电流分布布进行优优化设计计

47、，可获获得最低低的母线线投资和和电能消消耗。 合理理的槽内内衬与槽槽壳结构构选择了窄窄炉膛操操作面，提提高了电电解槽单单位面积积产能，并并采用电电热模拟拟技术及及非线性性槽壳结结构有限限元优化化软件，设设计了先先进、合合理的槽槽内衬及及槽壳结结构，可可以使电电解槽处处于较佳佳的热平平衡状态态，取得得较长的的槽寿命命，槽壳壳变形小小，材料料用量省省。 先进进的铝电电解控制制系统在铝电解解控制技技术方面面，采用用电解槽槽自适应应控制技技术及电电解槽智智能模糊糊控制系系统技术术,All2O3浓度可可控制在在1.553范围内内，电解解温度可可有效地地控制在在95005范围内内，效应应系数(AE)可控制

48、制在0.30次次槽日以下下。 3主主要设备备技术参参数电流强度度(kAA)： 2240 阳阳极电流流密度(A/ccm2)： 0.7333 阳阳极组数数(组)： 166(双阳阳极组块块) 阳阳极炭块块组尺寸寸： 15550(6660+110+6660)5500(mmm) 每每组阳极极钢爪数数(个)： 8 每每个钢爪爪直径(mm)： 1400 铝铝导杆截截面：(mm) 20001700 槽槽膛面积积：(mmm) 111700038440 槽槽膛深度度：(mmm) 5550 操操作面尺尺寸(mmm)：大面 2880（两两厂房后后15台台槽为3310） 小小面 3900（两厂厂房后115台槽槽为422

49、0） 中中缝 1800 阴阴极炭块块尺寸(mm)： 3322051554500 阴阴极炭块块组数(组)： 220 阳阳极升降降速度(mm/minn)： 1000 摇摇兰架组组数：活活动(组组) 177 固固定(组组) 2 阳阳极母线线规格：(mmm) 55002000 阳极最最大行程程(mmm)： 4000第三节 电解解槽的槽槽体构成成电解槽由由阳极、阴极、槽罩与与绝缘物物四部分分组成1. 阳阳极结构构 阳阳极结构构即槽上上部结构构，具体体包括阳阳极、阳阳极母线线、阳极极传动机机构、打打壳下料料装置及及腹板支支承梁等等。16组双双阳极分分两排配配置于两两组阳极极母线外外侧，利利用卡具具将阳极极

50、铝导杆杆压紧在在阳极母母线上，铝铝导杆和和阳极钢钢爪之间间的过渡渡采用铝铝-钢爆爆炸焊块块，钢爪爪与炭块块用磷生生铁浇注注，钢爪爪爪头安安装炭素素保护环环，保护护钢爪不不被电解解质侵蚀蚀，阳极极示意图图见图441：图411 阳阳极示意意图打壳装置置是为加加料而打打开壳面面用的，它它由打壳壳气缸和和打击头头组成。打击头头为圆柱柱形锤头头组成，通通过锤头头杆与气气缸活塞塞相连。当气缸缸充气活活塞运动动时，便便带动锤锤头上、下运动动而打击击熔池表表面结壳壳，下料料系统由由槽上料料箱、下下料器组组成。料料箱上部部与槽上上溜槽相相通。筒筒式定容容下料器器安装在在料箱的的下侧部部，筒式式定容下下料器每每次

51、下料料1.88kg。每个电解解槽设有有4个打打壳下料料装置，两两两交错错打壳下下料。在在电解槽槽一端另另设有专专供出铝铝用的打打壳装置置。阳极提升升机构由由螺旋起起重机、减速机机、传动动机构和和马达组组成，起起升降阳阳极作用用。两条阳极极大母线线悬挂在在螺旋起起重丝杆杆上，116组阳阳极通过过卡具卡卡紧在大大母线上上。阳极极大母线线即承担担导电，又又起着承承担阳极极重量的的作用。槽上部结结构示意意图见下下图4-2： 图442 槽上上部示意意图2.阴极极结构 阴阴极结构构包括钢钢槽壳与与内衬两两大部分分钢槽壳系系采用摇摇兰式小小船型结结构，它它由长侧侧板、短短侧板，底底板和摇摇兰托架架等焊接接组

52、装而而成。内衬的底底部结构构从下往往上：一一层硅酸酸钙保温温板800mm、二层硅硅藻土保保温砖2265mmm、一一层干式式防渗料料 1660mmm、一层层阴极炭炭块 4450mmm。 侧部部结构：一层厚厚1200mm的的侧部炭炭碳氮氮化硅复复合块，大大面侧部部炭块下下部是高高强防渗渗料及保保温砖伸伸缩缝砌砌体，小小面侧部部复合块块下部是是轻质浇浇注料，所所有底部部炭块间间缝以及及侧部复复合块与与底部炭炭块间均均采用炭炭素糊扎扎固，在在槽膛内内壁用炭炭素糊扎扎制人造造伸腿。两厂房房后155台槽侧侧部改用用90mmm碳氮氮化硅砖砖替代原原1200mm复复合块，以以改进原原炭碳碳氮化硅硅复合块块易开

53、裂裂、炭块块易氧化化等缺陷陷。内衬衬结构图图如下图图433：图433 内内衬结构构示意图图3槽罩罩结构采用厚为为1.003.0mmm铝板与与铝型材材框架焊焊接而成成，每台台槽的槽槽罩由334块大大面槽罩罩、4块块角部槽槽罩与44块小面面槽罩构构成。4.绝缘缘物在电解槽槽上设置置绝缘是是保证设设备和人人身安全全的需要要，也是是防止直直流电旁旁路电解解反应的的需要。在电解解系列上上，系列列电压达达数百伏伏，甚至至上千伏伏。一旦旦发生短短路、接接地，容容易造成成电器设设备，特特别是电电子控制制设备事事故，一一旦人手手触摸构构成与地地回路，还还会发生生人身事事故。电电解槽系系列使用用大功率率的直流流电

54、，而而槽上阳阳极提升升电机、回转计计使用的的是交流流电，若若直流窜窜入交流流回路，也也会引起起设备事事故，因因此对两两者也有有进行绝绝缘的必必要。具体设置置绝缘物物的部位位是：为防止止接地，在在阴极母母线（含含汇流母母线）母线墩墩、槽壳壳槽壳支支墩、上上部结构构支烟管管主烟管管之间设设有绝缘缘。为隔离离交、直直流，在在阳极提提升电机机底座、回转计计底座处处装有绝绝缘。为防止止电流旁旁路漏电电、阴阳阳极短路路，在上上部槽门门型立柱柱阴极槽壳壳、炉罩罩的上下下端、阳阳极导杆杆上部槽槽结构钢钢板、打打壳机构构-上部槽槽结构之之间设有有绝缘。为防止止槽与槽槽之间短短路，在在槽与槽槽间钢格格盖板的的支撑

55、角角钢-槽壳之之间设有有绝缘。第四节 电解解车间其其它主体体设备 多功功能天车车、提升升框架与与出铝抬抬包是电电解厂房房的重要要设备，本本节简要要介绍这这三种设设备的性性能与结结构。 1.多功能能天车：南平铝业业公司铝铝电解用用多功能能天车（以以下简称称P.TT.M）是是由贵阳阳铝镁设设计研究究院设计计、沈阳阳冶金机机械制造造公司制制造安装装的铝电电解生产产专用设设备，每每栋厂房房配置22台，共共4台。P.T.M在电电解厂房房内完成成铝电解解槽的各各种工艺艺操作。它集打打壳、更更换阳极极、覆盖盖氧化铝铝、出铝铝、辅助助提升阳阳极母线线等各种种功能于于一体。是机、电、液液、气一一体化的的大型专专

56、用设备备。它处处于高温温熔盐、大电流流、强磁磁场、多多粉尘和和氟化氢氢气氛的的环境中中，因此此在P.T.MM的设计计中采取取了下列列措施，如如：重要要电气元元器件（PPLC等等）采取取了屏蔽蔽防磁、防干扰扰；有可可能与电电解槽接接触的零零部件，如如：扳手手拧头、阳极导导杆夹头头、出铝铝吊钩、加料管管等采用用防磁材材料。每每个机构构，如：打壳机机构、更更换阳极极装置、下料装装置、操操作室等等都设置置多道绝绝缘，防防止P.T.MM与电解解槽之间间交、直直流混电电，确保保工作人人员的安安全，设设有用电电设备漏漏电实时时检测系系统。为为保证安安全操作作，各机机构均有有联锁、限位、限速措措施，并并设有各

57、各种故障障报警信信号。其主要由由运行大大车、运运行工具具车、出出铝车、电气系系统、液液压系统统、气动动系统等等组成，PP.T.M的总总重量约约72tt，电气气总容量量约1880KWW。纵向运运行大车车：大车包括括由两根根主梁和和两根端端梁组成成的桥架架、轨道道、走台台、栏杆杆、扶手手梯及其其他附件件。桥架架由6轮轮支承、每一根根端梁有有一套驱驱动装置置（1/3驱动动）。主主梁为箱箱型截面面，梁内内设有横横向隔板板和纵向向加筋板板，安装装轨道处处外侧有有横向筋筋板和翼翼板联接接，使主主梁在较较大的弯弯曲、扭扭转载荷荷作用下下有足够够的刚度度和强度度。端梁梁为箱型型截面，每每个端梁梁下面有有三个圆

58、圆柱形的的垂直车车轮，在在供电侧侧（大通通道侧）的的端梁下下面有两两对球面面水平车车轮，防防止P.T.MM水平偏偏移。在在非供电电侧（烟烟道侧）的的端梁下下面有两两个安全全卡，预预防万一一水平车车轮损害害时以此此P.TT.M安安全。横向运运行的工工具车：工具车包包括车架架、工具具回转装装置（带带回转位位置控制制系统）、打壳机机构、更更换阳极极装置、料箱及及下料装装置。工工具车的的车架是是由两根根端梁和和两个门门架组成成，供安安装工具具回转装装置和打打壳机构构、换阳阳极装置置等用。每根端端梁下面面有两个个圆柱形形的垂直直车轮，其其中一个个端梁下下面有两两对球面面水平车车轮，另另一个端端梁下面面有

59、两个个安全卡卡，预防防万一水水平车轮轮损坏时时以此保保证工具具车安全全。车架架由4轮轮支承，每每一根端端梁有一一套驱动动装置（11/2驱驱动）。出铝车车：悬挂于主主梁上并并横向行行走的出出铝车包包括车架架、垂直直导向架架、移动动框架、卷扬装装置、电电子称重重系统、回转的的防磁吊吊钩等。车架与与垂直导导向轮通通过绝缘缘节联成成一体，在在车架梁梁下面装装有两个个圆柱形形垂直车车轮，每每个车轮轮都装有有驱动装装置。卷卷扬装置置安装在在车架的的平台上上，在移移动框架架的下端端的横梁梁上安装装回转防防磁吊钩钩，销轴轴式电子子秤重传传感器安安装在定定滑轮处处。电气系系统：电气系统统包括配配电设备备（配电电

60、、控制制、操作作、照明明）、PPLC系系统、编编程软件件系统、编程器器、变频频器、遥遥控器（发发射和接接收）、电缆（动动力和控控制）、电动机机、电动动机启动动器和控控制器、绝缘和和漏电检检测。配配电设备备防护等等级IPP54，控控制柜双双层外壳壳，绝缘缘等级FF级以上上。液压系系统：液压系统统包括油油箱、液液压泵、阀件、管路、执行器器（油缸缸、油马马达等）、附件、传感器器、指示示器等。气动系系统：气动系统统包括空空压机、阀件、管路、胶管、气缸、打壳机机等。2.阳极极提升框框架:阳极提升升框架为为定期调调整阳极极母线与与阳极导导杆的装装夹位置置，每栋栋厂房设设1台,共2台台，其包包括实腹腹板梁结