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1、第一章 铝的性质与用途第一节 铝的性质铝是自然界中分布极广的元素之一，地壳中铝的含量为7.35%，仅次于氧和硅而居第三位。由于铝是化学性质极为活泼的元素，所以在自然界中未发现单质的金属铝，而是以铝的各种化合物存在。铝土矿是现在的主要炼铝原料，此外还有明矾石等，世界铝土矿总储量320亿吨以上，我国山西、河南、山东和广西等地蕴含着丰富的铝土矿。从铝土矿或其他含铝原料中生产氧化铝，实质上是将矿石中的Al2O3与SiO2、Fe2O3、TiO2等杂质分离的过程。炼铝的历史可分为两个阶段，分别为化学法炼铝阶段与电解法炼铝阶段。尽管在自然界中含有极为丰富的铝，但铝第一次制取出来却是不到二百年前的事。1825
2、年丹麦的厄尔施泰（HCOersted）在实验室中用钾汞齐还原无水氯化铝（AlCl3）,在世界上第一次得到铝。1845年法国人戴维尔（HSDeville）用钠还原NaClAlCl3混合盐也得到金属铝，并在法国进行小规模生产。到1877年电解法投产以前，世界上仅用化学法生产金属铝，这一阶段，铝产量极低，使铝成为世界上极为昂贵的金属之一。1886年，美国的霍尔和法国的埃鲁特发明了冰晶石氧化铝熔盐电解法炼铝，很快电解铝取代了化学法，而且产量迅速提高，成本迅速下降，到目前为止的百年间，铝工业发展成为仅次于钢铁工业的第二大金属冶炼工业。铝是一种具有银白色光泽的金属，常温下其比重只有2.7 g/cm3,是一
3、种轻有色金属，它的主要特性如表11。表1-1 铝的主要特性 原子序数13密度（g/cm3）2.699(固)、2.3(液)原子价3溶点（）659沸点（）2467熔化盐（J/ g）386.6导热系数（J/cmS）2.08（固，20）、2.18（固，200）导电系数（10-4-1cm-1）3637（20）电化学当量（g/Ah）0.3356（Ah/g）2.980第二节 铝的用途铝可与许多金属形成合金,某些铝合金的机械强度很高,而且仍保持着质轻的优点,因此铝被广泛用于制造飞机的外壳、火车、汽车的车箱，以及快速转动的零部件等。铝是一种优良的导电材料，仅次于金、银、铜、水银。然而，与单位重量导电性而议，铝比
4、其他任何金属的导电性都好。按照传导等量电流计算，铝的导电截面是铜的1.6倍，而重量只有铜的一半。因此铝广泛用于电气工业和无线电工业。铝具有良好的导热性，反光性。铝的导热性是不锈钢的10倍，它是制造活塞，热交换器，饭锅，电烫斗等传热设备的理想材料。同时利用铝具有良好的反光和热的性能，制造反光镜，隔热板，又可用来制作保温材料。铝极富延展性，很容易进行机械加工，轧制，切削，拉丝，压延，锻造等。铝具有良好的防腐性能。铝在空气中表面生成一层致密、光亮、坚硬、透明的氧化铝薄膜，起到天然保护层作用。所以，铝是经久耐用的建筑材料，在建筑业和装饰业上获得广泛应用。铝没有毒性，用它来包装食品及化学用品不会影响味道
5、和质量，对人体不会带来危害。铝不带磁性，也不会产生附加磁性，故广泛用来制造精密仪器。总之，铝是当今电力、冶金、轻工、化工、航空航天、机械、建筑、食品等许多行业不可缺少的重要原材料，它和钢铁一样，已成为现代经济起飞的基础。铝的优异性能和丰富藏量，将使铝工业成为最有前途的重要产业之一。第二章 铝电解基本理论知识铝的工业生产，一直采用冰晶石氧化铝熔盐电解法。本章以冰晶石氧化铝熔盐电解为基础，介绍有关铝电解的基本理论知识。第一节 铝电解基本原理电解是指借直流电的作用，在阴阳极两极上实现电化学反应的过程。也就是说当直流电通过电解质时，电解质的某种成份在电极上分离出来，这种现象称为电解。更简单地说电解是由
6、化合物经电离放电到变成原子的过程。根据法拉第定律指出,对任何物质,通过96485库仑(即26.8安培时)应析出一克当量铝(即8.9938克),那么通过1安培时,应析出0.3356克铝。因此，铝的电化学当量是在电解质通过1安培时电量时,理论上应析出0.3356克铝。在铝电解生产中用法拉第定律计算理论产量时，其公式如下：MKITM-理论产铝量（克）K-铝的电化学当量（克/安培时）I-通过的电流（安培）T-通过的时间（小时）铝电解生产的电流效率是指铝电解过程中，原铝实际产量与原铝理论析出量的百分比（%）。用公式表示为：电流效率=100%=100%由于铝电解过程中，在两极上发生二次反应、铝的溶解损失、
7、钠离子的析出、炭化铝的生成、电流的损失和电流的空耗、及其它机械损失等因素的影响，实际上在阴极上所得到金属铝的数量远低于理论上应得到的数量，因此电流效率应小于100%，而一般在8696%之间。铝电解生产所需的大宗原材料大致可分为三大类：a.原料氧化铝b.熔剂氟化盐（包括冰晶石、氟化铝、氟化钠、氟化钙、氟化镁、氟化锂等）c.阳极材料阳极糊或预焙炭块氧化铝是铝电解生产过程的主要原料，其熔点很高（2050），不易直接熔化提炼铝。但是，固体氧化铝可以部分地溶解在熔点较低的冰晶石熔融液中，形成均匀熔体，并且此溶体具有良好的导电性，这使得铝的电解冶炼能在低于氧化铝熔点较多的条件得以实现。固体氧化铝溶解在熔融
8、冰晶石熔体中，当通入直流电后，即在两极上发生电化学反应，在阳极上得到气态物质，阴极上得到液态铝，其过程为：溶解的氧化铝液态铝(阴极)+气态物质(阳极)。生产一吨金属铝，理论上需要氧化铝1889kg,但实际上则需19251940kg。铝的工业生产全部采用炭阳极，随着电解过程的进行，炭阳极参与电化学反应，生成碳的化合物-二氧化碳（CO2）反应式为：2Al2O3+1.5C 2Al1.5CO2在阴极上：Al3+(络合物)+6e 2Al（液）在阳极上：O2（络合状）+ 4eCO2（气） 上述反应过程是当今铝生产的基本原理。随着反应不断进行，电解质熔体中的氧化铝和固体炭阳极不断被消耗掉，生产中需不断向电解
9、质熔体中添加氧化铝和补充炭阳极，使生产得以连续进行。冰晶石在理论上不消耗，但在高温熔融状态下会发生挥发损失和其他机械损失，因此，电解过程中也需作一定的补充。除此之外，反应过程中还需供给大量的直流电能（约为1300015000kwh/tAl）以推动反应向生成铝的方向进行。第二节 铝电解质及其性质1. 电解质的组成在铝电解生产过程中，连接阳极和阴极之间的熔盐体叫电解质。更确切地说，熔盐电解质是以冰晶石为熔剂，氧化铝为熔质，组成的冰晶石氧化铝熔体为主，其它氟化盐为添加剂，这种熔融体叫电解质。2熔剂的特性在电解过程中，液体电解质是保证电解过程能够进行的重要条件之一。液体电解质即指冰晶石氧化铝均匀熔融体
10、，其主要成份是冰晶石。（占85%左右）。冰晶石的化学式为Na3AlF6( 或3NaFAlF3)。冰晶石中所含氟化物钠摩尔数与氟化铝摩尔数之比，称为冰晶石的摩尔比（俗称分子比），其表达式为：冰晶石的摩尔比（分子比） 摩尔比等于3的冰晶石称为中性冰晶石，冰晶石的摩尔比即可大于3，也可小于3，大于3的称为碱性冰晶石，小于3的称为酸性冰晶石。工业上也将冰晶石中氟化钠与氟化铝的组成比用质量比表示，在比值上，摩尔比是质量比的2倍，如摩尔比等于3的冰晶石，其质量比等于1.5。摩尔比等于3的冰晶石形成的电解质称为中性电解质，摩尔比大于3的冰晶石形成的电解质称为碱性电解质，摩尔比小于3的冰晶石形成的电解质称为酸
11、性电解质。目前铝工业上均采用酸性电解质生产。3初晶温度初晶温度是指液体开始形成固态晶体的温度。固态晶体开始熔化的温度称为该晶体的熔点。初晶温度与熔点的物理意义不同，但在数值上相等。冰晶石氧化铝均匀熔体电解质其初晶温度随氧化铝含量增多而降低。电解质的摩尔比（分子比）降低，其初晶温度也随之降低，但氧化铝的溶解量也会降低。电解生产中需要电解质的初晶温度越低越好，这样可以降低工作温度（工作温度一般控制在初晶温度以上1020范围）。工作温度越低，减少设备变形，延长设备使用寿命，工人劳动环境改善，电解质挥发损失小。而且，更重要一点，电解过程中电流效率随电解温度降低而提高，即可以降低电能消耗，又可以增加产量
12、。4. 密度密度是指单位体积的某物质的质量,其单位为g/cm3。工业铝电解质溶体的密度随温度的升高，氧化铝含量增多而降低。实际生产中需要电解密度较低为好，铝电解生产中，铝与电解质是两种相溶性很小的液体，铝水的密度比电解质大，故沉于电解槽底部，它们之间的分离靠两种溶体的密度差来实现。因铝水的密度一定，只有减小电解质熔体的密度来增大其密度差来实现，从而使两种液体良好分离。5导电度导电度称为比电导或导电率，它是物体导电能力大小的标志，通常用比电阻的倒数来表示。单位为：-1cm-1。在电解质熔体中，随着氧化铝浓度的增加，电解质的导电度减少。工业电解质的导电度一般在2.132.22-1cm-1范围内，生
13、产中需要电解质具有大的导电度。电解质导电性越好，其电压降就越小，越有利于降低生产能耗。6. 粘度粘度是表示液体中质点之间相对运动的阻力，也称内摩擦力，单位为PaS(帕秒)。熔体内质点间相对运行的阻力越大，熔体的粘度越大。工业铝电解质的粘度一般保持在310-3PaS左右，过大或过小，对生产不利。电解质粘度过大，会降低氧化铝在其中的溶解速度，会阻碍电解质中碳渣分离和阳极气体的逸出，给生产带来危害。但电解质粘度过小，会加快电解质的循环，加快铝在电解质中的溶解损失，降低电流效率，而且加快氧化铝在电解质中的沉降速度，造成槽沉淀。7部分添加剂对电解质性质的影响及特点 添加剂AlF3、CaF2、MgF2的共
14、同优点： 增大铝液与电解质间的界面张力，降低铝的溶解损失； （按wt%计， AlF3 MgF2 CaF2） 降低初晶温度（ MgF2 CaF2 AlF3）。 添加AlF3、CaF2、MgF2的共同缺点： 降低电解质的导电率（ AlF3 MgF2 CaF2）； 降低氧化铝的溶解度（ AlF3 MgF2 CaF2）。 添加AlF3（降低分子比）与添加CaF2MgF2的不同特点： MgF2、CaF2： 增大电解质与炭间界面张力，能降低电解质在阴极炭块中渗透,有利于炭渣分离,可能不利AE控制（不利气泡排出）； 增大电解质粘度，不利于炭渣分离（与上条特性矛盾）, 不利于铝珠与电解质分离（有损电流效率）不利于较大幅度降低温度； 增加电解质的密度（8%以下时, MgF2 CaF2，8%以上时，则反之）； 不仅降低氧化铝溶解度，且还降低氧化铝溶解速度； 促进边部结壳生长。 AlF3： 降低电解质与炭间界面张力（优点、缺点正好与MgF2CaF2相反）； 降低电解质粘度（正好与MgF2CaF2相反）； 降低电解质密度（正好与MgF2CaF2 相反）； 虽降低氧化铝溶解度，但对氧化铝溶解速度几乎无直接影响； 增大电解质挥发损失（无烟气净化时，损失大）。 添加LiF的作用：优点：降低初晶温度（ LiF MgF2 CaF2 AlF3）；提高导电率
