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1、 上一内容 下一内容 回主目录返回金属铝融盐电解主讲教师 刘自力 课件制作 刘自力Date 上一内容 下一内容 回主目录返回金属铝融盐电解 模块一 铝电解基础知识 模块二 铝电解的原料 模块三 预焙阳极电解槽及附属设备 模块四 铝电解厂房概况 模块五 安全生产 模块六 预焙阳极电解槽的焙烧启动 模块七 铝电解生产正常操作 模块八 铝电解槽正常生产时的工艺技术条件 模块九 电解槽的日常检查与维护 模块十 槽寿命和故障处理 模块十一 铝电解生产主要经济技术指标 模块十二 氧化铝输送和烟气净化 模块十三 铝电解的环境保护和清洁生产Date 上一内容 下一内容 回主目录返回模块一 铝电解基础知识 铝的
2、性质和用途 铝的生产方法 铝电解生产基本原理 铝电解的生产流程 云铝公司生产简介Date 上一内容 下一内容 回主目录返回1. 铝的性质及用途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。 尽管自然界中含有极为丰富的铝，但铝第一次制取出来仅是不到二百年前的 事。1825年丹麦的厄尔施泰在实验中用钾汞齐还原无水氯化铝（AlCl3），在 世界上第一次得到铝。到1887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
3、。1886年 ，美国的霍尔和法国的埃鲁特发明冰晶石氧化铝熔盐电解法炼铝，很快 电解炼铝取代了化学法，而且产量迅速提高，成本迅速下降。到目前为止的 百余年间，铝工业发展成为仅次于钢铁工业的第二大金属冶炼工业。 铝的主要特性：表11 铝的用途：由于铝质轻且具有良好的导电性和导热性，良好的延展性，可塑 性及防腐性，所以它被广泛地应用于电气工业、国防工业、机械工业、建筑 工业及食品包装，日用品工业等领域。Date 上一内容 下一内容 回主目录返回表11 铝的主要特性原子序数13 密度2.699（固）2.3（液态）原子价+3 熔点（）659 沸点（）2467 熔化热（J/g）386.6 导电系数（10-
4、4-1-1 ）3637（20）电化当量（g/Ah）0.3356Date 上一内容 下一内容 回主目录返回2.铝的生产方法 化学法：利用化学反应用钠、钾和镁等强还原 物质来置换出金属铝。 电解法：采用冰晶石氧化铝融盐电解法炼铝 。 新法炼铝：1）碳热还原法 ，2）电热法生产铝 硅合金 ，3）氯化铝电解法 。Date 上一内容 下一内容 回主目录返回3. 铝电解生产基本原理以熔融的冰晶石氧化铝为电解质（冰晶石为溶剂，氧化铝为 溶质）以炭素材料为正、负两极，强大的直流电由阳极导入，经 过电解质从阴极导出，溶解在电解质里的氧化铝在两极上发生电 化学反应，在阳极上得到气态物质，在阴极上即得到液体铝，其
5、电化学反应为：阳极反应：3O2-(络合的)+1.5C-6e 1.5CO阴极反应：2Al3+(络合的)+ 6e 2AL 合并上二式，则得总反应式：Al2O3+1.5C=2Al+1.5CO2阴阳极副反应见图1-1。在工业生产中，上述电化学反应是在电解槽中进行的，在阴极上 析出的铝是液态的，随着电解的进行不断得到富集，需周期性地 用真空抬包吸出，送到铸造部经过净化，配料处理，浇铸成商品 铝锭及各种合金。阳极上生成的阳极气体经过集气、净化处理， 将回收到的载氟氧化铝返回电解生产，废气通过烟筒排空。Date 上一内容 下一内容 回主目录返回图1-1 铝电解生产阴阳极反应示意图Date 上一内容 下一内容
6、 回主目录返回4.铝电解的生产流程 整个铝电解生产流程由三大部分组成：电解部分、铸 造部分及气体净化部分。Date 上一内容 下一内容 回主目录返回5.云铝公司生产简介 云铝实况录像Date 上一内容 下一内容 回主目录返回模块二 铝电解所用原材料 1）原料氧化铝 2 ）溶剂氟化盐，包括冰晶石、氟化铝、氟化钠、 氟化钙、氟化镁、氟化锂等； 3） 阳极材料预焙阳极块 4）阴极材料阴极炭块 5）能源直流电。 铝电解原材料在电解槽中示意图见图2-1。Date 上一内容 下一内容 回主目录返回图2-1铝电解原材料在电解槽中示意图Date 上一内容 下一内容 回主目录返回1.氧化铝 氧化铝是电解用的主要
7、原料，它是一种白色粉末，其分 子式为Al2O3，熔点为2050。氧化铝是由铝土矿中提 炼出来的，其流动性好，不溶于水，但能溶解在熔融的 冰晶石中。 氧化铝在电解生产中的作用是： 不断地补充电解质中的铝离子，使其浓度保持在一定 的范围内，保证电解生产的持续进行。 氧化铝覆盖在电解质壳面上可以起到良好的保温作用 。覆盖在阳极板碳块上可防止阳极碳块的氧化。Date 上一内容 下一内容 回主目录返回1. 氧化铝 在烟气净化系统中充当吸附剂，用来吸附阳极气体中 的氟化氢气体。 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。 化学纯度：要求氧化铝中杂质和水分的含量低，因为氧 化铝中若有电位正
8、于铝的元素的氧化物，如SiO2（二氧 化硅）、Fe2O3（三氧化二铁）等杂质，在电解过程中 它们会被铝还原，还原出来的Si或Fe进入铝液内污染铝 液，降低铝的品位。若有电位负于铝的元素的氧化物， 如：Na2O（氧化钠）、CaO（氧化钙），会分解冰晶石 ，使电解质成分改变，增加氟化盐的消耗量。氧化铝中 的水分同样分解冰晶石，还会增加铝液中的氢含量。Date 上一内容 下一内容 回主目录返回1 .氧化铝 物理性能的要求： 具有较小的吸水性，能够较多、较快地溶解于电解质中。 加料时的飞扬损失少，能严密地覆盖在阳极碳块上，防止它在 空气中的氧化。 在气体净化中，要求氧化铝具有较好的活性和足够的比表面积
9、 ，从而有效地吸收HF气体。 氧化铝的物理性能取决于它的晶体晶型、粒度和形状。根据氧化 铝的物理特性不同，可分为三类：砂状、粉状、中间状。 生产一吨铝所需氧化铝，从理论上计算为1889公斤。实际上由于 氧化铝不纯及在运输、加工时的损失，实际生产一吨铝需要约 19301950kg氧化铝。Date 上一内容 下一内容 回主目录返回2 .溶剂氟化盐 1）冰晶石 铝电解所用溶剂主要是冰晶石。现代工业上使用的冰晶石都是合 成冰晶石。冰晶石的分子式为Na3AlF6，亦可写成为3NaFAlF3， 我们把冰晶石的氟化钠（NaF）和氟化铝（AlF3）的分子数之比 称为分子比。分子比等于3的冰晶石称为中性冰晶石，
10、分子比大 于3的冰晶石称为碱性冰晶石，分子比小于3的冰晶石称为酸性冰 晶石。天然冰晶石分子比等于3，为中性冰晶石，合成冰晶石分 子比约为2.0左右，为酸性冰晶石。 冰晶石熔点1008，氧化铝能够溶解在熔融冰晶石里，构成冰晶 石氧化铝溶液，称为电解质，它能满足铝电解的需要。 纯冰晶石里不含有电位顺序比铝更正电性的金属杂质。 熔融冰晶石能够较好地溶解氧化铝，而构成的冰晶石氧化 铝溶液可以在冰晶石溶点1008以下进行电解。Date 上一内容 下一内容 回主目录返回2. 溶剂氟化盐 在电解温度下（950），冰晶石氧化铝溶液密度为 2.1g/cm3，比在同一温度下的铝溶液密度（2.3g/cm3）小10%
11、， 因此电解出来的铝能沉积在电解液下面，大大减少铝的氧化损失 ，也可以大大简化电解槽的结构。 这种电解质具有良好的导电性。 冰晶石氧化铝溶液基本上不吸水，在电解温度下它的蒸气 压不高，能够保证电解质成份的相对稳定。 冰晶石作为一种溶剂，从理论上讲，在电解过程中是不消耗的， 但在实际生产中，由于挥发损失，炭素的吸附及机械损失等原因 ，使冰晶石在生产过程中存在一定的消耗量。在正常生产情况下 ，冰晶石的单耗为1020kg/t-Al。Date 上一内容 下一内容 回主目录返回2. 溶剂氟化盐 2） 氟化铝 氟化铝分子式为lF3，它是一种白色极微细的粉末，不 粘手，其颗粒比氧化铝稍大，在常压下加热不熔化
12、，但 在高压下升华，其沸点为1260，是电解质中各物质沸 点最低的一种，较其它物质易挥发损失。其作用是调整 电解质的分子比，使分子比保持在一定范围，以保证生 产技术条件的稳定。氟化铝价格较贵，且易挥发、飞扬 ，故向电解槽中添加时要注意添加方法。 同冰晶石一样，氟化铝在铝电解过程中也存在一定的消 耗量，生产一吨铝，氟化铝消耗量为3040kg。Date 上一内容 下一内容 回主目录返回2. 溶剂氟化盐 3 )氟化钠 氟化钠的分子式为NaF，是种白色粉末，易溶于水。氟化钠是一 种添加剂，在电解槽的开动或开动初期，用以调整由于新槽的炭 素内衬选择性吸收钠盐及装炉时装入大量低分子比冰晶石而造成 的分子比
13、下降，一般新槽开动时工厂多用苏打（碳酸钠），其分 子式为Na2CO3，代替氟化钠，这样做更加经济且能加速电解质的 沸腾与循环，有助于电解成份均匀。 4 )氟化钙 氟化钙分子式为CaF2,其俗名为萤石粉，是一种经过精选品位很高 的天然矿物质。在正常的铝电解生产中，往电解质中添加一定数 量的氟化钙能降低电解质的熔点，但它更多地被用于电解槽启动 前装炉，其作用是对炉帮的形成有好处，可以使形成的炉帮比较 坚固。Date 上一内容 下一内容 回主目录返回2. 溶剂氟化盐 5） 氟化镁 氟化镁分子式MgF2，也是一种电解质的添加剂，其作用可以降低 电解质的初晶温度，改变电解质的性质，增加表面张力，减少铝
14、的再溶解损失，提高电流效率。 与氟化钙相似，虽然氟化镁有许多有利的性能，也有不利的影响 ，氟化钙、氟化镁都能增加电解质的密度，降低氧化铝的溶解度 ，因而添加数量要慎重。 6 )氟化锂 氟化锂分子式为LiF，是铝电解生产的一种良好的添加剂。它可 以降低电解质的初晶温度，增加电解质的导电度，改善电解质的 性质，比氟化镁、氟化钙效果更显著。目前，我国锂盐比较昂贵 ，工厂里有时用碳酸锂（LiCO3）代替氟化锂，达到节约经费的 目的。Date 上一内容 下一内容 回主目录返回3. 阳极材料预焙阳极块 在铝电解生产过程中，阳极是在高温下与具有很强侵蚀性的冰晶 石溶液直接接触，在各种材料中能经受这种侵蚀且又
15、有良好的导 电性，价格又低廉的材料唯有炭素材料。 预焙阳极块的制做:预焙铝电解槽使用的预焙阳极炭块一般为长 方体，以石油焦、沥青焦为骨料，煤沥青为黏结剂，经煅烧、配 料、混捏、成形、焙烧而成。预焙阳极炭块具有稳定的几何形状 ，根据电解槽电流的大小和工艺的不同而有不同的尺寸，每个炭 块的使用周期则在2632天之间。 预焙阳极块的质量要求:首先是灰份要低，这是因为阳极中的伴 生金属会在铝之前优先被还原，从而大量进入铝内，使原铝质量 受到影响。其它要求包括：比电阻要小，气孔率要小，并有一定 的抗压强度。 预焙阳极块在电解过程中，参与阳极上的电化学反应不断消耗， 它的净耗为生产一吨铝消耗410480kg，毛耗（包括残极）为 540600kg/t-Al。Date 上一内容 下一内容 回主目录返回3. 阳极材料预焙阳极块阳极炭块组；在阳极炭块导电方向的 上表面有24个直径为l60180mm、 深为80110mm的圆槽，俗称炭碗。 在阳极组装时，炭碗用来安放阳极爪 头，用磷生铁将阳极爪头浇注在炭碗 内。钢爪头与铝导杆通过铝钢爆炸焊 连接，这样阳极导杆与阳极炭块连为 一体，组成阳极炭块组。 阳极炭
