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铝电解槽现代电解铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950℃-970℃下，（950℃以上有可能形成热槽）在电解槽内的两极上进行电化学反应，既电解。一、铝电解的工作原理：电解质：冰晶石-氧化铝融盐，电流：直流电（4~22kA）电解温度：950~970℃电极：阴、阳极均为碳质，阴极上析出铝、而阳极上析出CO2（70%）和CO（30%）气体；电解总反应：2Al2O3(aq)+3C(s)=4Al(l)+3CO2(g)二、铝电解机理-两极过程1.阴极过程：Al3+(配离子）＋3e=Al*配离子解离，配离子同时放电；*分子比↑、温度↑、Al2O3浓度↓，阴极电流密度↑→铝钠析出电位差值减小，可能导致钠离子放电；*采用酸性电解质体系，较低的电解温度，尽可能大的Al2O3浓度，良好的传质以防阴极上Na+过度积累而放电。2.阳极过程：2O2-(配离子）＋C－４e=CO2*配位阴离子中的氧离子在炭阳极上放电析出O2，而后与C反应生成CO2；*炭渣的存在，CO2气体渗入阳极孔隙与C再反应，溶解在电解质中的铝再氧化等因素导致气体非纯CO2，而是CO＋CO2的混合物。三、铝电解生产流程图四、现代铝工业有四种型式的槽型:*自焙阳极电解槽，有旁插式和上插式两种。*预焙阳极电解槽，有不连续式（中部打壳式和边部打壳式）和连续式两种。*新型的有多电解槽，采用氯化铝为电解质，预示着铝电解槽的发展将进入新阶段。五、铝电解槽的构造及技术参数*自焙槽优点：阳极可连续使用；不需专门工厂进行阳极成型，焙烧，装爪等。缺点：烟害大；槽电压比预焙槽约高0.1~0.2V，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，投资大。*预焙槽优点：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；烟害小。缺点：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。六、氧化铝下料装置立体图七、氧化铝下料装置剖面图：预焙自焙不连续式连续式旁插棒式上插棒式电流/kA22012050～13050～150d阳/A·cm-20.7～0.80.70.7～1.00.55～0.7电耗/kWh·t-113000～16000160000150000～170000150000～170000阳极操作简单不复杂复杂很复杂磁场隆起影响轻微感觉到感觉到强烈感觉到废气捕集效率/%90～95无60～7040～60气体净化不复杂(只有粉尘和废气)无复杂(有焦化产物)复杂(有焦化产物)工时数/h·t-16.79.211.29.2八、碳阳极铝电解用炭素材料主要包括：阳极糊、预制阳极块、侧部炭块和底部炭块四种。（1）炭阳极分类：自焙阳极：按导电方式分类：旁插棒式阳极；上插棒式阳极预焙阳极：按阳极本身是否连续使用分类：连续式阳极；不连续式阳极（2）碳阳极生产的简明流程（3）阳极材料-阳极糊和预制阳极块生产炭素阳极糊的原料包括：骨料和粘接剂两部分*骨料——焦炭（石油焦、沥青焦）要求：1.灰份低——灰份大部分进入铝内影响质量；2.含硫少——S在高温下同铁质阳极棒作用生成电阻很大的硫化铁膜而增加铁-炭接触电压降；（硫的含量过高，易使炭素制品开裂，电阻率增高）3.含钒少——钒会增大焦炭的氧化活性，阳极消耗多。（钒元素也会增大炭素材料的氧化活性，故其含量不宜太高）*粘接剂——沥青作用：沥青作为粘结剂，粘结炭粒形成具有一定塑性的炭糊，在炭糊焦化过程中焦结固体炭粒（粘结固体骨料，构成具有一定塑性的炭糊，并且在炭糊焦化过程中渗入骨料之间），使电极具有足够的机械强度。要求：1.β树脂(20%)是保证粘结性能的重要成分,不溶。而γ树脂可溶。2.固定炭(50%)焦化过程中沉积在骨料之间,降低阳极孔隙率,提高机械强度和导电率;图4-2-23.水份0.5%,灰分0.5%*沥青是煤焦油经高温分馏后的残渣，是多种碳氢化合物的混合体。通过溶剂萃取可将其分离为高分子组分、中分子组分和低分子组分。a.高分子组分是焙烧时形成焦化残炭的主要载体，它影响炭素阳极的空隙率大小及强度，它没有粘结性，所以高分子含量过高会影响沥青的粘结能力。b.中分子组分主要起粘结作用，中分子组分的含量是沥青性能的重要指标，一般需要达到20-35%才能制得合格的产品。c.低分子组分主要作用是溶剂的作用，能降低沥青的软化点，有利于改善沥青对焦碳颗粒的润湿性，并提高糊料成型时的可塑性。*沥青根据软化点的不同，可分为：a.软沥青（48∽51℃）；b.硬沥青（80℃以上），用于预焙阳极和上插槽阳极糊；c.中硬沥青（65∽75℃），用于侧插槽阳极糊。*要求：a.中分子组分:(20%)其是保证粘结性能的重要成分b.固定炭:(50%)固定炭---沥青在隔绝空气的条件下，加热到800、干馏3小时，排除全部挥发分后残留的总碳量。焦化过程中沉积在骨料之间,降低阳极孔隙率,提高机械强度和导电率;c.水份0.5%,灰分0.5%九、炭阳极对阳极糊的要求：1.阳极糊要求有一定的塑性（或流动性），以便填满拔棒后留下的孔洞；但流动时不能引起焦粒偏析，孔洞不能被富含沥青的糊所填充，以免此处焦化后孔隙率过高；2.流动性与糊中沥青配比、沥青的软化点、阳极上部温度等因素有关。3.阳极糊的质量主要取决于固定炭粒的粒度组成，沥青配比由粒度组成确定。十、预焙阳极炭块：质量评价：真比重、假比重、机械强度、电阻率。制备过程：成型：挤压成型；振动成型；焙烧：环式窑。要求合适的升温速度。十一、碳阳极放置图十二、炭阳极消耗指数1.定义：按每1安培·小时电量计，阳极实际炭耗量与理论炭耗量的比率。2.理论消耗量：g/A·h3.影响因素：阳极在空气中的氧化；阳极掉粒；生成CO等。十三、预焙阳极电解槽:1.依加料方式分：边部打壳和中部打壳电解槽2.阳极炭块组：阳极导杆、钢爪、炭块3.阴极装置：阴极炭块、钢质导电棒4.铝母线：阳极母线、阴极母线、立柱母线5.进电方式：一端进电、双端进电:0.1120360096487412.011图4-2-3图4-2-4图4-2-5十四、自焙阳极电解槽自焙阳极电解槽的阳极碳块是利用电解过程中产生的热量以阳极糊焙烧而成，根据阳极母线结构特征可分为自焙阳极旁插棒式电解槽和自焙阳极上插棒式电解槽。(1)自焙阳极旁插棒式电解槽a..基础：绝缘b.阴极：保温、坚固、密封防氧化、底糊防侵蚀、挡板防淌料、侧部炭糊筑坡c.阳极:铝箱、钢质框架d.上部金属结构：支柱、平台、AO料斗、阳极升降机构、槽帘和排烟系统e.导电母线和绝缘设施(2)自焙阳极上插棒式电解槽现在，自焙阳极上插棒式电解槽在工业上也被广泛地采用。阳极内发生的焦化作用，基本上同旁插棒槽。在焦化过程中，也形成了烧结锥体。阳极棒通过上层的液体糊，一直插到阳极锥体之内。其主要不同是拔棒后遗留下来的孔洞由上层的阳极糊来充填，结果生成所谓“二次阳极”。这对于阳极的质量有一定的影响。(3)连续预焙阳极电解槽相对于非连续式有如下特点：优点：1.无阳极残极，预焙炭块消耗量小；2.阳极电流分布均匀，故阳极消耗均匀；3.生产的连续性。缺点：1.阳极不能用氧化铝保温，热损失大；2.炭块之间接缝存在接触电压降，故槽电压较高。连续式预焙阳极电解槽简图1-阳极炭块；2-阳极棒；3-阳极母线；4-槽壳；5-炭块接缝；6-阴极炭块；7-阴极棒；8-保温层十五、连续式预焙槽和不连续式预焙槽的电压对比十六、铝电解生产系列铝电解槽系列：为保证系列的连续稳定运行，需备用电源；电解槽排布方式：横向排列单行排列纵向排列双向排列图4-2-8十七、铝电解槽配置图十八、铝电解槽的母线配置一、预焙阳极：铝电解中有两种电极，自焙电极、预备电极预备阳极：将预先焙烧好的阳极炭块通过铝导杆固定在模梁母线上。1、率电解工艺对阳极性能的要求：铝电解工业中阳极有极为重要的作用。1）阳极灰分要低灰分：大多数是金属的氧化物，主要是铁、硅、镍、钒的氧化物，还有非金属的磷、硫等。在铝电解的过程中，随着炭阳极的消耗，它们溶解在电解质中，在阳极电解析出，或被还远成金属进入铝液使铝的质量降低，还能影响铝电解正常进行。如钒与C与O2的反应中起催化作用，降低电流效率，硫与钢爪的Fe反应，生产电阻很大的硫化铁膜，增大电能消耗。2）比电阻要小3）要有一定的机械强度—国际规定预焙阳极的抗压强度不低于34Mpa。机械强度低容易造成断裂、掉块、炭粒脱落，严重时不能使电解正常进行。4）要求孔隙度不能太大—特备是开口的孔隙度，它直接影响阳极炭块的机械强度和比电阻，还影响阳极在电解时的工作情况，炭块因CO2的氧化，损失越大，优质的炭块的孔隙度应控制在7%以下。5）消耗要小—铝电解中炭块的消耗主要包括三个方面A、炭粒脱落，电解消耗B、被CO2反应和炭粒的脱落C、被空气中的氧气氧化和炭粒的脱落。6）要求反电动势低，其大小标志着炭阳极化学反应活性的高低，反电动势答的阳极活性低，产生的阳极的过电压大，消耗电能答。我国预备阳极的质量标准3、铝电解反应电解过程中溶解在电解质中的Al2O3离解成离子，在阳极O离子放电，在阴极Al3+放电。当采用炭素电极时，阳极析出的氧直接与C发生电化学反应，生产CO2.4、阳极消耗碳反应后百分之百的变成CO2，从而可以计算出每吨Al生产消耗C的数量。引起阳极消耗的原因：1）在铝电解反应过程中，阳极工作表面反应消耗速度不同，其原因是因为炭阳极中的沥青粘接剂的焦化比骨料中的炭活性大，化学活性大，它们在电解过程中优先消耗，而骨料焦炭消耗慢，于是一部分颗粒从阳极表面脱落形成碳渣。2）炭阳极被空气中的氧气氧化消耗。3）炭阳极被CO2气体氧化而消耗。除以上三个原因外，还与炭阳极的质量，电解生产操作和设计水平有关。5、炭阳极的活性活性越大，与空气反应的速度快，炭阳极的消耗越大。1）不同炭素材料与空气反应速率的研究自焙阳极—预焙阳极—粗粒工业石墨—细粒工业石墨依次增大2）炭素材料的活性与其本身结构形成过程有关，石油焦、沥青焦的活性较大，无烟煤、冶金焦的活性低，活性最低的炭素材料是石墨，还与原料和制品的温度有关，热处理温度越高，其活性越低，还与其含有的杂质有关。有些杂质能够增大炭素材料的uoxing，而有些杂质能降低其活性。焦炭中的钒对反应活性的影响最大，镍次之，钙最低。煤增加100ppm钒，反应速率增大0.023阳极中的一些杂质对花絮而反应速度的影响杂质对炭—氧反应的影响对炭—CO反应的影响Si中等催化无影响Fe中等弱催化弱催化V强催化中等弱催化Ni中等弱催化中等催化Na强催化强催化S弱催化弱催化Ca弱催化中等催化Pb强催化弱催化Cu强催化弱催化Zn弱催化反催化6、降低炭阳极消耗的添加剂自焙阳极中加入AlF3来减少反应活性，反应速率降低600%——70%7、降低炭阳极过电压的添加剂预焙阳极现状从全国大厂调查，体积密度1.45——1.53g/cm3，气孔率26%——32%，抗压强度24——42Mpa，国内阳极消耗450——480Kg/tAl，电流密度0.69——0.73A/cm2预备阳极的发展方向：质量差的阳极造成电解槽的热平衡不稳定，碳渣含量高，电阻率不稳定，电耗大。高质量的要求、比电阻低、密度高、质量均匀的预焙阳极。二、阴极炭块作为铝电槽的内衬材料，导电材料，其种类较多，半石墨质的，无烟煤基的、石墨化的。1、阴极炭块的特性：不参加电化学反应，只起容器和导电的作用，要求其耐高温、耐腐蚀、导电好，同时使用寿命要长。2、指标：抗压强度、孔隙度、灰分、比电阻1）要求阴极炭块具有一定的机械强度，在铝电解过程中阴极炭块会发生膨胀，如果其机械强度低会发生破损。2）比电阻要小。3）孔隙度不能太大，否则电解质会渗入到阴极炭块中增多。4）灰分要低，它对质量无影响，但会增大其比电阻。5）破损系数要小，它在一定程度上反应阴极炭块的使用寿命，质量好寿命长的阴极的破损系数是1左右。阴极炭块的种类阴极炭块可分为：石墨化炭块：可石墨化的骨料加粘结剂形成的炭块，在3000℃下进行热处理。半石墨化炭块：可石墨化的骨料加粘结剂形成的炭块，在23