预焙铝电解槽生产工艺与操作[1]

预焙铝电解槽生产工艺与操作实践河南省铝冶炼工职业技能鉴定培训讲义2005年目录绪论了解大型槽，认识大型槽——大型中心下料预焙槽的技术特点及管理思路第一章铝电解的基本理论第二章铝电解生产概况第三章铝电解槽的构造第四章铝电解槽的预热焙烧与启动第五章铝电解槽非正常期生产管理第六章铝电解槽主要操作第七章电解常规测量作业第八章铝电解槽正常生产管理第九章电解槽病槽及常见事故处理第十章铝电解槽破损与维护第十一章铝电解生产的计算机控制第十二章电解生产的电流效率第十三章电解生产的电能消耗与能量平衡第十四章主要技术经济指标核算第十五章铝电解生产管理第十六章铸造第十七章铝电解干法净化及原料输送绪论：了解大型槽，认识大型槽（一）一、系列电流大＜80kA80—160kA200—350kA1、输入热量多Q=kI2Rt小槽怕冷，大槽怕热——避免热震荡，减小热冲击有关试验结论：300KA槽较长时间输入能量减少16%，通过提高极距，减少电流，保持内部产生热量变化不大，从而对热平衡影响不大。——强化散热意识（结构设计新材料应用热场计算合理重视铝水平管理）2、磁场力大F=λBIL——减小影响(保持规整槽膛减少水平电流较高铝水平－惯量m.v）绪论：了解大型槽，认识大型槽（二）二、采用中心（中间）下料工艺1、下料点少而集中（4---6个点一线排列）——提高AO的溶解性、保持槽底清洁（沙状AO、质水平适当高、高流速区选下料点、勤加工，少下料、低AO浓度、定期清理积料、调整加料）2、边部不加工（侧部热、炉帮易空）——保持完好炉帮（加强侧部散热适当加工边部）三、阳极使用多块预焙炭块（24284020*2)1、阳极周期性更换（底部不平电流不匀）——科学安排换极表提高换极精度保持较高的质水平绪论：了解大型槽，认识大型槽（三）2、散热面增大（壳面增大25—30%阳极高矮不等）——重视壳面保温1cm==60~90mv13~18cm四、使用计算机控制技术1、槽况的信息步入数据化——报表利用2、依赖合理技术条件的搭配，注重槽膛规整3、利用槽参数及(能量，物料）代用特征值判断槽况如：（VAEAEAEWVVMTVV）X日对策管理——处置量表、状态图、分析（图）表、指令表五、载氟氧化铝为主供原料（活性杂质流动性输送方式容积变化）第一章铝电解的基本理论1.1铝的性质与用途1、自然界的铝铝是自然界分布极广，含量极丰富的金属元素（250多种矿物）活泼、无元素态（7.35%第三位占金属的三分之一，氧49.1%；硅26.3%；四~八位是FeCaNaKMg总占98.04%其余86种为1.96%）物质状态－－－七态（气、液、固、等离子、超固、反物质、辐射场）金属基本分类轻有色金属－－铝109元素非金属18金属91种金属非金属O2Cl2FBS黑色金属FeMnCr有色金属轻金属AlMg重金属CuPbZn稀有金属Ta钽La镧Nb铌Zr锆贵金属AuAgPt半金属SiSe硒Te碲铝电解的基本理论（一）2、关于铝第三周期3号主族元素(原子序号为13）,可离解3个电子3s23p1,原子量26.98密度2.699（液态2.3）g/cm3，熔点659℃沸点2467℃硬度为3导电系数36～37×10-4Ω–1cm-1(为银的36.1％），导热系数2.08J/cm.s.℃,液—固收缩率6.6%线膨胀系数2.4×10-5/℃3、主要性质与用途①比重轻是Cu的三分之一航空航天业②导电性优良为同重铜的2倍电力③良好的防腐性建材、包装业主要性质与用途④良好的导热反光性散热、反光材料⑤延展性好、可机加性强机械制造业⑥非磁性能精密仪器⑦再生利用率好为产量的15—18%成本仅5%⑧与氧有很大的亲和力，能夺取许多金属氧化物中的氧，将其还原成金属脱氧剂⑨易于其他金属组成各种成分的合金汽车工业铝电解的基本理论（二）1.2铝电解基本理论知识1、炼铝业发展史化学法：1825～18881825年丹麦H.C.Oersted(厄尔施泰）用钾汞齐还原(AlCl3)法－K、Na（NaCl.AlCl3)、Mg(1865冰晶石）电解法：1854～1854年德本生（Bunsen)－法德维尔（Deville）电解氯化铝－氯化钠络盐1883年美布雷德利（Bradley)提出了氧化铝溶于熔融冰晶石电解的方案1886年美霍尔（Hall)和法埃鲁特（Heroult)同时申请了冰晶石-氧化铝熔盐电解专利H-H法1888美匹兹堡两台610×400×5101.7～1.8kA16v23kg/2效率79％年产8～8.5t电耗约30000kwh/t法1889英1890德1898奥1899挪威1906意1907西班牙1927苏19311890－产量180t→1930-27wt→1970-1025wt→2000-2400wt中国1936～1937→1952→1954（60kA2.5wt)→1989(108wt)1999-263(113)wt→01－300→03－550→04-667铝电解的基本理论（三）2、基础理论回顾①物质组成与变化（物理与化学）②克原子、克分子、克当量、化学当量、摩尔③电流强度、电流密度、电阻、欧姆定律、分解电压、过电压、极化电压④两类导体直线方程⑤溶液----溶质、溶剂、溶（熔）液、物相铝土矿氢氧化铝氧化铝电解铝（原铝）铝锭拜尔法烧结、联合法焙烧氧化铝冰晶石直流电高温铸锭铝电解的基本理论（四）3、电解质的性质初晶温度==熔点1008℃过热度10--15℃工业电解质：冰晶石（2.3—2.4）+氧化铝（1—4%）+氟化镁（4—5%）+氟化钙（3—4%）→920--930℃添加剂影响：氟化铝氟化钙氟化镁氟化锂氧化铝1%降温4-5℃3-4℃5--6℃8-10℃4-5℃密度:单位体积所含物质的质量单位：g/cm3900---1000℃d铝=2.3g/cm3d电解质=2.1g/cm3相差约10%D冰晶石=3.053－0.832×10-3t1000℃2.221）g/cm3导电度－物体导电能力的物理量。导电率、比电导纯冰晶石电导率2.8±0.02（工业电解质2.13～2.22）/Ωcm影响因素：温度氧化铝电解质含炭添加剂增↑增↓0.6%↓10%LiF增粘度表示液体质点相对运动的阻力——内摩擦力单位：pa.s(mpa.s)纯冰晶石粘度2.8×10-3pa.s粘度过大----流动性差、气体难排、电阻大粘度过小----氧化铝易沉淀、铝易溶解影响因素：温度成分氧化铝含量高↓CR↑↓降↓表面性质液体抵消表面收缩的能力液---气间称表面张力液---液间称界面张力液---固间称湿润能力，用湿润角衡量液相组成、固体材料、气相组成、温度θ＞90°湿润不良θ＜90°湿润性好阴极（湿润良好）、阳极与极化挥发性沸点以下液体分子逸出的程度（定温下蒸气压）在电解温度下电解质分子以气态逸出的现象为电解质的挥发性挥发性与沸点有关氟化铝氟化钠氟化镁氧化铝1260℃1700℃2240℃2980℃添加剂的影响*基本条件：不参与电化学反应、改善性质、吸水性挥发性小、价格低廉氟化铝：降分子比、降初晶温度、挥发大氟化钙：矿化剂、降初晶温度、界面张力氟化镁：加大炭界面张力、降初晶温度氟化锂：降初晶温度（8～10℃）、增加导电度1.3两极反应阳极反应副反应O2-－2e=O2Al（溶）+3CO2=Al2O3+3COC+2O=CO2CO2+C=2CO阴极反应Al3++3e=AlNa++e=Na4Al（溶）+3C=Al4C3总反应Al2O3+1.5C=2Al+1.5CO2第二章铝电解生产概况2.1铝电解生产工艺流程现代铝工业生产普遍采用冰晶石一氧化铝融盐电解法。电解铝生产以碳素材料为阳极，铝液为阴极，电解质为溶解有氧化铝的熔融冰晶石，经整流的强大直流电（数百kA)由阳极导入电解槽,经过（930～970℃的）电解质与铝液层，由阴极导出，Al3+、O2-分别在两极上进行电化学反应,阳极产物主要是二氧化碳和一氧化碳气体,其中含有一定量的氟化氢(HF)，在阴极生成液体铝。铝液用真空抬包抽出到铸造车间净化后铸成成品铝锭。2.2铝电解所用原材料1、主原料——氧化铝氧化铝俗称铝氧粉,分子式Al2O3，它是一种白色粉末状物料，熔点为2050℃，沸点约为3000℃,真密度为3.5-3.6g/cm3，体积密度约为lg/cm3。它的流动性很好,不溶于水,能溶于冰晶石熔体；它是铝电解生产中的主要原料，吨铝的理论消耗为1889kg/t.Al，实际消耗为1920--1940kg/t.Al。工业用氧化铝根据其晶体结构分为两种同分异构体：a-Al2O3、γ-Al2O3。铝电解对于氧化铝质量的要求主要是考核它的化学纯度和物理性能。Al2O3+1.5C=2Al+1.5CO210254x1000x=102×1000/54=1889(kg/t.Al)1889÷0.987÷（1－0.3％－0.25％）＝1924.51）.化学纯度氧化铝质量首先是化学纯度要高，杂质含量和水分要低。因为氧化铝中那些电位比铝离子更正电性的元素的氧化物,如SiO2(二氧化硅)，Fe2O3(氧化铁),在电解过程中会被铝还原,或者优先于铝离子在阴极析出。析出的硅、铁进入铝内,会降低铝的质量;而那些电位负于铝元素的氧化物,如Na2O、CaO会分解冰晶石,使电解质成分改变,分子比升高，并增加氟化盐消耗；氧化铝中的水分同样会分解冰晶石生成HF，造成氟化盐损失,并增加铝中的氢含量，逸出大量的氟化氢污染环境；P2O5，V2O5，TiO2等杂质，则降低电流效率。我国氧化铝质量标准YS/T274---1998等级牌号化学成分（%）AO含量杂质含量≯≮SiO2Fe2O3Na2O灼减一级AO－198.60.020.020.501.0二级AO－298.40.040.030.601.0三级AO—398.30.060.040.651.0四级AO－498.20.080.050.701.02）.物理性能氧化铝的物理性能对于保证电解过程的正常进行具有重要作用。通常要求氧化铝具有吸水性小,在电解质中溶解性好，同时要求加料时飞扬损失小（活性大,粒度适宜,流动性好），能够严密地覆盖阳极,以防止阳极暴露于空气中被氧化,并很好保温。在烟气净化中有较好的活性，足够大的比表面积，能有效地吸收HF气体。这些物理性质主要取决于氧化铝的晶型，粒度和形状。按照氧化铝物理性能不同，一般分为三类：砂状，中间状，粉状。α-AL2O3俗称刚玉，是一种晶体结构完善，化学稳定性强的铝氧化物。氧化铝的种类砂状氧化铝：α-AL2O3小于30%,γ-AL2O3较多,其颗粒为球状，平均粒度60-80微米，晶体表面疏松、比表面积大、活性强，流动性好，安息角25-30度，在电解质中溶解速度较快；粉状氧化铝：α-AL2O3较多，为80-95%，其颗粒为片状或羽毛状，平均粒度20-30微米，安息角大于45度，流动性较差；中间状氧化铝介于两者之间，安息角35—40度，平均粒度30-50微米，α-AL2O3含量40--50%。我国生产的氧化铝基本为中间状氧化铝。2．副原料——氟化盐铝电解生产所用的溶剂主要是冰晶石和氟化铝，还有一些添加剂，如氟化钙，氟化镁，氟化钠，氟化锂等，统称氟化盐，其消耗为22—30kg/t.Al。1）冰晶石Na3AlF6=3NaF.AlF3冰晶石有天然和人造两种，由于天然冰晶石储量极少，现代生产使用的冰晶石绝大多数为人工合成的。冰晶石是一种白色晶体，密度为2.95g/cm3,硬度为2.5,熔点为1008℃。工业冰晶石是正冰晶石和亚冰晶石(5NaF.3AlF3)的混合物，分子比为2.0左右。(有碱、中、酸之分)在铝电解生产中，冰晶石作为一种溶剂，理论上不消耗，在实际生产中由于挥发损失，碳素的吸附和机械损失等原因，使得冰晶石的损失量约为20—30kg/t。冰晶石、氟化