有色金属冶金学4-铝电解.ppt

1、1.3.6 铝电解槽 铝电解槽是炼铝的主体设备。 电解槽槽型： （1）自焙阳极电解槽：上插式、侧 插式 （2）预焙阳极电解槽：不连续、连 续式 目前全世界预焙槽占70%，自焙槽占30%。,电解槽容量及昼夜铝产量 1888-1900年 4000-8000A 昼夜产量24-28kg 目前，300-500kA，昼夜产量2170-3620kg 电流效率 最初低于80%，现在一般为90%，高的达到95%以上 能耗 最初高达30-40kWh/kg Al，现在降低到12-15 kWh/kg Al。,生产机械化、自动化，电解槽气体净化和综合利用 自焙槽和预焙槽比较： （1）在电解过程中，阳极大约以0.8-1.

2、0 mm/h速度连续消耗，自焙槽可连续使用，而预焙槽不能连续使用，须定期更换； （2）自焙槽散发氟化物，沥青烟气，而预焙槽不散发烟气，污染环境；,阳极电压：预焙槽阳极电压降只有0.3V，而自焙槽阳极电压降为0.4-0.5V，电耗比预焙槽高1000kWh/Al。 基建投资：预焙槽简单，但制造费用高，惟有侧插槽投资最省 预焙槽另外主要优点： 槽型大型化、操作机械化和自动化、电流效率高、电耗率低、烟害小 铝电解槽排列：横向、纵向，串联成系列,铝电解槽结构示意图,1.3.7 铝电解的生产过程 1.3.7.1 概述 铝电解槽全部生产过程包括三个阶段：焙烧期、启动和启动后期、正常生产期。 （1）铝电解槽的

3、焙烧期 目的：在于焙烧自焙阳极（对预焙槽则是加热阳极）以及加热阴极，达到900-1000，以便下一步启动。,焙烧方法：焦粒焙烧法 用10-15mm厚的焦粒铺在阳极与阴极之间作为电阻体，炭粒粒度小于6mm而大于1mm。利用此层电阻体产生加热所需的热量。焙烧期约为3天。 （2）铝电解槽的启动期 目的：在电解槽内熔化电解质，开始铝电解。分干式和常规启动两种。,干式适用于启动新系列中的头几台槽，当时厂房内无现成的熔融电解质和铝液，只好在新槽内熔化所需的电解质和铝；常规启动适用已有电解槽生产，在开始时从正在进行铝电解槽内取出电解液和铝液倒入新启动的槽内，以加速启动过程。 启动时间1小时。 从启动到正常生

4、产之间有一个过渡期，称为启动后期，大约1个月。,（3）铝电解槽的正常生产期 电解槽经过焙烧和启动之后便进入正常生产期，直到停槽为止，正常生产期通常延续5-7年。 电解槽正常生产的特征： A、从火眼中冒出有力的火苗，颜色呈蔚蓝色或淡紫蓝色； B、槽电压和温度稳定地保持在设定的范围内；,C、阳极完好、周围电解质沸腾良好。炭 渣分离出来； D、槽面上的结壳完整，疏松好打； E、电解质与铝液分层清楚； F、电解槽侧壁上有凝固的电解质，它是 由冰晶石和刚玉构成的，是一种电和 热的绝缘体。,1.3.7.2 电流效率 铝电解的电流效率通常是指阴极 上实际产出的铝量对于理论上按照 法拉第定律计算的铝量的百分数

5、。 按照法拉第定律计算理论铝产量： 在电解过程中，通过1法拉第电量理论上应析出1摩尔的铝，因此 铝的当量值=26.98154/3= 8.9938g。 1法拉第电量=96485As，即96485/3600 = 26.8Ah 。 铝的电化学当量值C = 8.9938/26.80 = 0.3356g/(Ah),设电解槽的平均电流（直流）为300 kA 它的年产铝量应为： P =0.3356 3002436510-3 =882t/年 提高铝电解电流效率的主要措施：（1）在适当低的过热温度下进行电解; 所谓过热温度，是指电解温度与电解质的初晶点之间的差值。 每降低过热温度10，平均提高电流效率1-1.5

6、%。,（2）建立和保持理想的槽膛内型； （3）尽可能使槽内铝液保持平静； （4）选用低熔点的电解质组成，使用惰 性的可湿润阴极，如二氧化硼涂层 阴极。,1.3.7.3 铝电解中的电能消耗与电能效率,电能效率：理论电耗与实际电耗之比 铝工业中节电的意义和潜力 根据化学热力学理论计算，生产每吨铝只需要直流电能6320kWh。但是在工业上生产每吨铝需要直流电能13500- 14000kWh。 电能效率4060,理论电耗量计算 W理论 =2980*(a1+a2+b) a1:反应标准自由能变化 a2：补偿反应束缚能T*S b:反应物（氧化铝、碳）温度变化所需的能量 如：室温下加入氧化铝、碳，电解温度为9

7、50度，计算得到的理论电能a11.196伏、a20.698伏、b0.227伏 W理论6320KW*hr/t-Al 生产每吨铝所需要的电能量= V/0.3356 103kWh 式中 V 电解槽的总平均电压； 电流效率 例：某电解槽的平均电压是4.25V，电流效率是92%，则生产每吨铝所需的电能量=4.25/0.33560.92103 = 13765 kWh,节电途径 （1）提高电流效率 （2）降低平均电压,现代工业铝电解槽的技术参数和生产指标（280kA预焙槽） 阳极电流密度/（Acm-2) 0.70 槽电压/V 4.0-4.1 温度/ 945-960 极距/cm 4.0 物质的量比 2.0-2

8、.4 氧化铝的质量分数/% 2-4 添加剂质量分数/% CaF2 6 电解质水平/cm 20-22 铝液水平/ cm 12-15 效应系数/（次（槽日）-1）1.0 电流效率/% 90 铝产量/(kg （槽日）-1）2030 电耗率/（kWht-1) 13000,阳极效应 阳极效应是熔盐电解所固有的一种特征现象。外观征象是： （1）在阳极周围发生明亮的小火花，并带有特别的劈啪声； （2）阳极周围的电解质有如被气体拨开似的，阳极与电解质界面上的气泡不再大量析出； （3）电解质沸腾停止； （4）在工业电解槽上，阳极效应发生时电压上升（30-50V，100V）,1.4 铝精炼 1.4.1铝的纯度分类

9、 (1) 原铝。通常是指用熔盐电解法在工业电解槽内制取的铝，其纯度一般为99.5%-99.85%。 （2）精铝。一般来自三层液精炼电解槽。在精炼槽内，原铝和铜配成的合金作为阳极，冰晶石-钡盐熔液作为电解质，析出在阴极上的精铝，其纯度通常在99.99-99.999%。,（3）高纯铝。主要用区域熔炼法制取。选用精铝作原料，得到杂质质量分数不超过110-6的高纯铝。高纯铝还可用有机铝化合物物电解与区域熔炼相结合的方法制取。 杂质情况： 原铝中主要是铁和硅，此外还有镓、钛、钒、铜、钠、锰、镍、锌等。 精铝产品中，主要杂质仍是铁和硅，但是锌、铜、镁、钠的含量接近铁，可能会超过硅。,从电解槽中取出的铝液通

10、常含有三类杂质： A、金属杂质； B、非金属固态夹杂物：氧化铝、炭、 碳化铝； C、气态夹杂物：H2、CO2、CO、CH4、 N2。其中最主要的是H2。 在1000，100g工业原铝大约溶解氢气0.2-0.4cm3。 铝液中的氢有两种形态：原子氢和气态氢。前者溶解在铝液中，后者吸附在固态夹杂物颗粒上。,1.4.2 铝液净化 往铝液中通入惰性气体(如氮气)或活性气体(氯气)，可使铝液中的固态夹杂物吸附在气泡上，并随气泡上升至铝液表面,最后在过滤层中分离。 净化方法： 在低温（刚刚熔点以上）长时间静止或通入氮气加以搅拌，清除氢。 通入氯气，与铝反应生成氯化铝气泡。比氮气效果好。,1.4.3 三层液

11、电解法制取精铝,精铝用途 70%制造电解质电容器，制造反光镜。 美国Hoopes1901年发明 下层液体：阳极合金，30%铜与70%铝，密度3.4-3.7g/cm3. 中层液为电解质，纯氟化物和氯氟化物体系，密度2.7-2.8 g/cm3. 最上层精铝，用作阴极，密度2.3 g/cm3,工业上用两类电解质体系： （1）纯氟化物体系。其组成中AlF3 NaF BaF2 CaF2的质量分数分别48%，18%，10%，16%；密度（液态）约2.8g/cm3，熔点680，操作温度740 。 （2）氯氟化物体系。其组成中AlF3 NaF BaCl2 NaCl的质量分数分别23%，13%，60%，4%；密

12、度（液态）约2.7g/cm3，熔点700-720，操作温度760-800 。,铝的电解精炼原理： 在阳极合金的各种金属元素当中，只有铝在阴极上溶解出来。阳极合金中，如铜、铁、硅之类比不活泼的金属元素，并不溶解，仍然残留在合金内。阳极上的电化学溶解反应是：Al - 3e = Al3+ 因此，电解液中除了原有的Al3+, Ba2+, Na+, F-, Cl-, AlF3-6, AlF4-之外，增加了上述反应中的铝离子Al3+。,迁往阴极的各种阳离子中，铝的电极电位比较正，故Al3+优先在阳极上获得电子，析出金属铝： Al3+ + 3e = Al 而其余的各种阳离子，如Ba2+, Na+之类，并不放

13、电。但是电解质本身所含的电位比铝更正的元素，例如Si和Fe，却会在阴极上析出，使铝的纯度降低。,电解精炼的最终结果是从阳极合金中溶解出来，并在阴极上沉积，得到纯度为99.99%的精铝。生产1t精铝需要电能17000-18000kWh（直流电）。 我国精铝产品的国家质量标准： AB0000 AB000 AB00 AB0 Al 99.996 99.99 99.97 99.93 Fe 0.0015 0.0030 0.015 0.040 Si 0.0015 0.0025 0.015 0.040 Cu 0.0010 0.005 0.005 0.015 杂质总和0.0040 0.010 0.030 0.0

14、07,1.4.4 偏析法制取精铝,基本原理： 一般当原铝从熔融状态下徐缓冷却，到达其初晶点时，结晶析出纯度很高的铝粒，然后将此种铝粒跟剩余的铝液分离，便得到所要求的偏析法产物，可从99.8%的原铝中提取到纯度为99.95%的铝, 其提取率为5-10%。 法国彼施涅公司的偏析法原理图 优点：产量大、能耗低、成本低； 缺点：纯度低,1.4.5 区域熔炼法制取高纯铝 基本原理: 在铝的凝固过程中,杂质在固相中的溶解度小于在熔融金属中的溶解度,因此, 当金属凝固时, 大部分杂质将汇聚在熔区内.如果逐渐移动熔区, 则杂质会跟着转移,最后富集在试样的尾部. 分离效果取决于元素的分配系数(固相浓度/液相浓度

15、),分配系数: 指杂质元素在固相中和在液相中的质量分配比率。 分配系数小于1的杂质元素在区域熔炼中富集在试样的尾部；分配系数大于1的杂质元素在区域熔炼中富集在试样的头部；分配系数等于1的杂质元素在区域熔炼中难以分离。 铝中18种杂质元素的分配系数 Ni 0.009; Co 0.02; Fe 0.03;Ca 0.08; Sb 0.09; Si 0.093; Ge 0.13;Cu 0.15; Ag 0.2; Zn 0.4; Mg 0.5; Mn 0.9; Sc 1;Cr 2; Mo 2; Zr 2.5; V2.7;Ti 8,纯度达99.99995%; 金属杂质的质量分数不高于0.510-6 课后作业题: 1 现代铝工业有哪些主要生产环节?辅助环节? 2 画出现代铝工业生产流程简图. 3 制取氧化铝的主要矿物有哪些?铝土矿的主要类型? 4 中国铝土矿的特点如何?,5 画出从铝土矿提取铝的简要生产流程图. 6 从铝土矿中提取氧化铝的主要方法? 7 拜耳法的原理是什么? 8 拜耳法流程的主要步骤有哪些? 9 苛性比、铝土矿中氧化铝的理论溶出率的概念. 10 拜耳-烧结联合法的形式？ 11 目前炼铝用氧化铝的种类？,11 铝电解的原理？ 12 冰晶石-氧化铝熔液的离子结构与电极过程如何？ 13 现代工业铝电解质的分类及