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2020/12/121铝电解基础知识培训青海西部矿业百河铝业有限责任公司2020/12/122铝的性质及用途铝在自然界中分布极广，地壳中铝的含量约为8%，仅次于氧和硅，居于第三位。但在各种金属元素当中，铝居于首位。铝的化学性质十分活泼，故自然界中极少发现元素状态的铝。含铝的矿物有250多种，其中主要的是铝土矿、高岭石、明矾石。铝是一种银白色的金属。铝的原子序数为13，原子量为26.98154，外层电子排列形式为3S23P1化合价通常为三价，但有时也呈一价、二价。铝质很轻，并兼具其它优良性质，在工业上被誉为万能的金属。2020/12/123铝的性质原子序数13相对摩尔量26.98154原子价（通常）+3密度g/㎝32.3（660℃）2.699（20℃）比热J/g.℃0.9（20℃）熔点（℃）659沸点（℃）2467熔化热（J/g）386.6导热系数（J/㎝•S•℃）2.08（20℃固态）2.18（200℃固态）导电系数（104•Ω-1•㎝-1）36～37(20℃)体积增长率（%）6.5（由固态变为液态）平均线膨胀率（10-6/℃）24（20～100℃）线平均收缩系数（%）1.7～1.8（650～20℃）电化当量（g/A•h）0.3356（A•h/g）2.9802020/12/124铝的性质及用途铝是一种氧化倾向极为强烈的金属，所以自然界中很少有以游离状态出现的铝。铝与空气中的氧结合生成一层致密牢固的氧化铝薄膜，覆盖在铝的表面上，这一层氧化铝薄膜阻止了铝的进一步氧化，提高了铝的抗腐蚀能力。铝是当今电力、冶金、轻工、化工，航空航天、机械、建筑、食品、工艺装饰等行业不可缺少的重要材料。同时，随着铝质材料性能的不断开发，其运用空间还在不断拓展。2020/12/125原铝需求量增长迅猛图1-1全世界原铝年产量增长曲线2020/12/126铝冶金的发展史★金属铝最早是用化学法制取的。1825年丹麦奥斯特用钾汞齐还原无水氯化铝，得到银色粉末；1854年德国维勒用氯化铝气体通过熔融钾的表面，得到了金属铝珠；1854年法国德维斯用钠代替钾还原NaCl-AlCl3络合盐，制取金属铝。电解法炼铝起源于1854年。当时德国本生和法国德维斯分别通过电解氯化铝-氯化钠络盐，得到金属铝。但在那时所用的是蓄电池，故无法扩大试验。直至1867年发明了发电机，并在1880年加以改进后，才使电解法可以用于生产。2020/12/127铝冶金的发展史1886年美国霍尔和法国的埃鲁，通过实验不约而同地申请了冰晶石—氧化铝融盐电解法炼铝的专利，得到批准。这就是通常所说的霍尔-埃鲁法。也是一百多年来工业炼铝的唯一方法。与化学法相比，电解法成本比较低，且产品质量好，故被各国相继采用，并沿用至今。2020/12/128霍尔-埃鲁法现代工业铝电解槽铝导杆槽壳立柱母线衔架小合卡具阳极打壳机构排烟管提升机构槽眉板短路口极上覆盖料2020/12/129①电解质的化学性质：从传统电解质转变成改良电解质和低分子比电解质，已证实显著提高电流效率，提高了生产能力。②添加氧化铝的技术：改进的电解槽引进了点式下料和控制技术。③计算机已被广泛的运用在铝电解生产控制中。电解槽的各项生产操作，例如氧化铝添加、更换预焙阳极和出铝等，都实现了高度的自动化和机械化。④改进了烟气排放控制，现代铝工业中的环境保护已经有了很大改进。⑤由于改进了阳极和阴极的质量，现在阳极净耗量大约在400kg/t-Al左右，部份电解槽的寿命达到3000天以上。⑥对电解槽磁场实现模拟计算和改进，使得铝电解槽的磁场有了更好的平衡，这是建造大容量电解槽的一个基本前提。现代铝工业发展2020/12/1210铝电解原理现代铝工业生产，普遍采用冰晶石---氧化铝融盐电解法。主要生产设备是电解槽。铝电解原理：以冰晶石---氧化铝熔体为电解质，炭素材料为两极，强大的直流电由阳极导入，经过电解质与铝液层从阴极导出，在两极间发生电化学反应，使电解质中的铝离子从阴极上得到电子而析出得到铝液，氧离子则在阳极上放电生成一氧化炭、二氧化碳混合气体的过程。2020/12/1211现代铝工业生产流程图铝电解槽氧化铝氟化盐预焙阳极组供电机组直流电外部电源干法净化电解烟气载氟氧化铝净化后烟气排空阴极铝液真空抬包铝液保持炉铝液铸锭产品交库氧化铝投放2020/12/1212现代铝工业生产的描述现代铝工业中原铝的生产，主要采用冰晶石—氧化铝融盐电解法。直流电通入电解槽，在阴极和阳极上发生电化学反应的过程。电解的产物，阴极上是液体铝，阳极上是CO2（约75%～80%）和CO（约20%～25%）。在工业电解槽中，电解质通常由95%（质量百分数，下同）冰晶石与5%氧化铝组成，电解温度为945～960℃。电解液的密度约为2.1g/c㎡，铝液密度为2.3g/c㎡，两者因密度差而上下分层。铝液用真空抬包抽出后，经过净化和过滤，浇铸成商品铝锭，其纯度可达到99.5%～99.8%。阳极气体中还含有少量的有害的氟化物、沥青烟、固体粉尘和二氧化硫。废气净化后，废气排入大气，回收的氟化物返回电解槽内。2020/12/1213铝电解槽工作示意图氧化铝加料(输送车间)阳极运输(车队)铝液运输(车队)铝液铸锭(铸造车间)直流电流(动力车间)预焙阳极(阳极车间)过程自动控制(计算机车间)电解烟气净化(输送车间)设备检修(检修车间)电解槽控制与维护(电解车间)原铝、成品铝分析流程检查(质量管理部)全公司动力(动力车间)2020/12/1214铝电解槽发展简史在20世纪20年代，挪威开始使用侧棒自焙阳极铝电解槽槽型，槽容量随之扩大，电流强度到2.5KA，电流效率约80%，公斤铝电耗20kwh，这种型式的铝电解槽很快在全世界范围推广使用，槽容量也增大到135KA。由于侧插自焙阳极铝电解槽的电流分布不均匀，阳极操作复杂，不易实现机械化。在20世纪40年代，法国成功研制出上插自焙阳极铝电解槽，这种槽型在阳极结构上增设了集气罩，用以收集阳极气体，提高了烟气中氟的浓度，使烟气易于净化和易于氟的回收，最大电流强度达到了150-160KA。由于世界各国对环境保护要求日趋严格；碳素生产技术日益发展，成功制造出大规格预焙阳极碳块；同时，随着氧化铝产量的日益增长，在20世纪60年代开始开发运用大型预焙阳极电解槽，槽中央部位实现自动下料，电流强度达到了230-350KA以上，电流效率94%-95%，公斤铝电耗达到13kw·h.2020/12/1215槽型及其特点工业铝电解槽槽型有：①侧插棒自焙阳极铝电解槽；②上插棒自焙铝电解槽；③预焙阳极铝电解槽；（连续、间断）三者各具特点。2020/12/1216自焙阳极铝电解槽铝电解自焙阳极槽。生产中，根据其阳极消耗情况，定期地从上部添加阳极糊；利用电解槽运行产生的热量，将新加入的阳极糊焙烧成为坚实的固体阳极。阳极因此能连续使用，这正好与电解的连续过程相适应。但自焙槽在运行中，焙烧阳极时散发出有害的沥青烟气，它的回收又较为困难，净化费用较高，造成的污染较严重。“二次阳极”质量问题在技术上解决困难，阳极发生病变的概率高，造成指标不理想。2020/12/1217侧插式连续自焙铝电解槽2020/12/1218上插式连续自焙铝电解槽2020/12/1219预焙阳极铝电解槽预焙阳极铝电解槽。使用预先焙烧过的阳极，待阳极消耗到一定高度时要进行更换，把旧极取出换上新极。因此阳极不能连续使用，还会产生残极，而且更换阳极的过程会给铝电解生产造成较大的波动和影响。预焙阳极在生产过程中沥青烟气已进行净化处理，因而不会给厂房内环境造成影响。2020/12/1220连续预焙铝电解槽图1—6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—阳极炭块接缝6—阴极炭块7—阴极棒8—保温层2020/12/1221现代大型预焙铝电解槽2020/12/1222三种槽型的特点：就机械化和自动化程度而论:以预焙阳极铝电解槽的机械化和自动化程度最高，特别是中部下料的预焙阳极电解槽。上插棒自焙阳极铝电解槽次之。侧插棒自焙阳极铝电解槽最低。各种类型的电解槽,产生电极电压高低的顺序为：上插棒自焙阳极铝电解槽最高，侧插棒自焙阳极铝电解槽居中，预焙阳极铝电解槽最低。2020/12/1223三种槽型的特点：从投资来看:预焙阳极铝电解槽的上部结构和阳极装置比较简单，电解槽本身造价较低，但制造预焙阳极需要额外的阳极成型、阳极焙烧和阳极组装等一整套设备，从而增加的投资较多，这一般适于大型铝电解厂。上插棒自焙阳极铝电解槽上部机构比较复杂，投资较高，侧插棒自焙阳极铝电解槽投资则相对低些。按电解槽容量而言:预焙阳极铝电解槽容量最大，上插棒自焙阳极铝电解槽次之，侧插棒自焙阳极铝电解槽最小。2020/12/1224三种槽型的特点：在现代铝电解工业中，由于，中部加料的预焙阳极铝电解槽，在电解过程中无沥青烟害产生，密闭程度高，烟气收集和净化率好，环保效应较高，阳极电压降低，操作机械化，自动化程度高，适于电子计算机控制管理，因而被广为采用。而中小型铝厂采用自焙阳极电解槽组织生产，给社会带来的资源浪费和环保负担，正迫使企业面临强制改造和关闭的压力。2020/12/1225工业铝电解槽的布置方式⑴、纵向排列：+-供电车间一般用于100KA以下容量的电解系列2020/12/1226工业铝电解槽的布置方式⑵、横向排列：+-供电车间一般用于160KA以上容量的大型预焙电解系列2020/12/1227现代大型预焙铝电解槽的构成2020/12/1228现代大型预焙铝电解槽的构成2020/12/1229现代大型预焙铝电解槽的构成电解槽上部机构就位螺旋起重机2020/12/1230现代大型预焙铝电解槽的构成2020/12/1231现代大型预焙铝电解槽的构成2020/12/1232现代大型预焙铝电解槽的构成2020/12/1233铝电解生产中的主要原料一、溶质——氧化铝氧化铝是铝电解的主要原料。铝电解对氧化铝的要求，首先是它的化学纯度，其次是物理性能。在化学纯度方面，要求氧化铝中杂质和水分的含量低。因为氧化铝中那些电位正于铝的元素的氧化物，如SiO2、Fe2O3、等。在电解过程中会被铝还原，还原出来的Si和Fe进入铝中，从而降低铝的品位；而那些电位负于铝的元素的氧化物杂质，如Na2O和CaO会分解冰晶石，还会增加铝液中的氢含量。其它杂质，如P2O5、TiO2、V2O5、Cr2O3等都会影响电流效率。2020/12/1234铝电解生产中的主要原料工业氧化铝的物理性能，对于保证电解过程正常进行是很重要的。通常要求它具有较小的吸水性，能够较快地溶解在熔融电解质里，在加料时飞扬损失少，并能够严密地覆盖在碳阳极上以防止阳极在空气中氧化，同时在凝固的电解质结壳表面上起良好的保温作用。这些物理性能取决于氧化铝晶格的晶型、粒度和几何形状。氧化铝分：砂状、粉状和中间状，其安息角分别为30°～35°，45°和36°～44°。2020/12/1235增加氧化铝平衡示意图氧化铝超浓相输送系统槽上料箱天车料箱天车加料系统新鲜氧化铝+渣壳载氟氧化铝氧化铝+渣壳+结壳块+脏料人工添加转变成铝换极带走漏到楼下飞扬损失氧化铝输送过程损失纯度损失槽极上、加工面及槽内铺底净化系统损失结壳块氧化铝粉槽极上、加工面及槽内铺底会发生变化减少过磅、水份损失？（41kg）（2.124%）与理论比97.88%5.34%回收95%，损失：5kg。（0.26%）纯度98.6%，损失：27kg。换极60kg回收95%，损失：3kg。（0.16%）其它损失总和：6kg。（0.31%）2020/12/1236生产1吨铝氧化铝的实际消耗情况序号项目氧化铝的理论需求Kg占计划数的百分比%按回收铝95%计损失Kg占总数的百分比%备注1反应生成铝188997.88/按化学反应式计算2阳极交换带走1035.3450.26以1块极带走150kg.电流238KA.电流效率90%计，每生产1吨铝需要氧化铝：150*32/27/（238*0.9*0.3355*24）/1000=1033漏到楼下603.1130.16实际每换1块