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1、电解铝知识讲座,第一章 铝电解的基本理论 主讲：胡延军,制作：胡波,山东信发华源铝业有限公司,铝的性质及用途 1.铝是地球上含量及其丰富的金属元素，其蕴藏量在金属中居第二位。在地壳中含量低于氧和硅而位居第三位。 2.铝是银白色金属，具有一系列良好的性能，纯铝熔点为660，沸点2500,铝的性质和用途,铝的外特性 ： （铝有美丽的银白色的光泽，工业被称誉为“万能金属”） 1、铝是轻金属的一种，常温下的密度为2.7克/立方厘米（克每立方厘米），是铜和钢铁的三分之一； 2、铝有良好的防腐蚀性； 3、铝是一种良好的导电材料，而且铝的纯度越高，导电性能越好，是铜导电率的6265%，用铝作导电材料既经济又
2、轻便。 4、铝具有良好的导热和反光性能，是一种制造反光镜和保温器的良好材料； 5、铝具有良好的延展性和可塑性； 6、铝的再利用率高； 7、铝易与其他金属组成合金。,铝的性质主要物理性质,铝的用途： 由于铝及其合金具有以上如此多种性能，而且产量在不断增长，所以在现代国民经济和国防工业中得到了广泛的应用，成为仅次于钢、铁的第二大金属。它的用途主要有：可做轻型结构材料、建筑工业材料、电气工业材料、耐腐蚀材料、食品包装材料等。, 包装食品 医用 饮料,1 铝的特性与用途,一、铝电解生产概论, 建筑：高层建筑、室内装修和新型桥梁等,1 铝的特性与用途,一、铝电解生产概论,1 铝的特性与用途, 建筑：,一
3、、铝电解生产概论, 交通运输,汽车 高速列车 飞机 轮船,1 铝的特性与用途,一、铝电解生产概论,1 铝的特性与用途, 交通运输,一、铝电解生产概论,1 铝的特性与用途, 交通运输,一、铝电解生产概论,1 铝的特性与用途, 交通运输,一、铝电解生产概论,1 铝的特性与用途, 交通运输,一、铝电解生产概论,铝电解生产的基本原理,现代铝工业生产，普遍采用冰晶石氧化铝熔盐电解法，它的主要设备是铝电解槽。其原理是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，而后从阴极导出到电源。 溶解的氧化铝 通入直流电（960） 液态铝(阴极）+气态物质（阳极）,通入直流电
4、的目的?,一方面是利用它的热能将冰晶石熔化呈熔融状态，并保持恒后的电解温度；另一方面是要实现电化学反应，也就是使电解质中的铝离子从阴极上得到电子而析出，从而得到铝液，氧离子则在阳极上放电生成一氧化碳、二氧化碳的混合气体，最后通过集气回收。在阴极上得到的液态铝，随着电解过程的不断进行，铝量不断增多，然后周期性的从电解槽中用真空抬包吸出，运往铸造部经过净化配料处理，浇注成商品铝锭。,铝液在电解槽的生产及吸出原理示意图,铝电解质及其性质,什么是现代铝工业用铝电解质？ 铝电解生产中，连接阳极和阴极之间不可缺少的熔盐叫电解质。,现代铝工业用铝电解质的组成 液体电解质主要以冰晶石为溶剂 以氧化铝为溶质而组
5、成，其中冰晶石占百分之八十五，还有，氟化钠，氟化铁，氟化硅等。,电解质的摩尔比（分子比） 冰晶石中所含氟化钠摩尔数与氟化铝摩尔数之比为冰晶石的摩尔比,俗称分子比。 摩尔比等于3质量比等于1.5的冰晶石形成的电解质称为中性电解质； 摩尔比大于3质量比 大于1.5的冰晶石形成的电解质称为碱性电解质， 摩尔比小于3质量比小于1.5的冰晶石形成的电解质称为酸性电解质， 目前铝工业上均采用酸性电解质生产。,铝电解质的性质: 1.初晶温度; 2.密度; 3.粘度; 4.导电度; 5.表面性质; 6.挥发性;,什么是铝电解质的熔点(初晶温度)? 在铝电解生产中所用的纯盐类都有固定的熔点，即熔融液体开始有固体
6、析出的温度，也叫初晶温度。,为什么电解温度一般要高于初晶点? 电解温度= 初晶温度(熔点)+(15-20) ，即电解温度一般要高出初晶温度1520。,电解温度主要取决于什么? 在电解过程中，电解温度除与极距电压降大 小有关外，主要取决于电解质的熔点。欲想保持低温电解生产，不设法降低电解质的熔点而单纯降低电解过程温度，必然会导致电解质过冷，引起病槽，影响生产。,电解质的密度,在电解槽正常生产过程中，上层是电解质，下层是铝液。由于它们之间的密度差异所致。在电解温度（950）下铝的比重（2.302克/立方厘米），大于含有5%氧化铝的冰晶石（即电解质）的比重（2.102克/立方厘米）。,什么叫电解质的
7、粘度? 所谓粘度是液体中的质点之间相对运动的阻力，也称内部摩擦， 电解质粘度主要取决于电解质的成份和温度。 电解质粘度随温度升高而降低。 氧化铝增大电解质的粘度，但在电解质中氧化铝含量在10%以内时影响其粘度变化较小，超过10%时，则电解质的粘度开始显著上升。 另外，电解质的分子比也能降低电解质的粘度，添加氟化钙能使其粘度增大，氟化钠和氟化锂使电解质粘度减小。,在电解生产中，电解质的导电率（导电度）与哪些因素有关? 在电解生产中，电解质的导电率受到多方面的影响。 与电解温度有关。温度越高，离子运动越快，导电率增加。但是电解温度高，会造成电流效率降低，能耗和原材料增加，因而提高导电率的效益补偿不
8、了降低电流效率和其它的损失。 与电解质分子比有关。导电率随分子比的增加而增加。 与Al2O3 浓度有关。电解质的导电率随Al2O3 浓度的增加而降低。,与电解质中的炭粒有关。当电解温度高时，会使电解质中炭粒含量增多，炭含量增多时不仅使电解质的导电率降低，还能减少电解质对Al2O3 晶体的湿润性，从而也会造成氧化铝沉淀。 与电解质中的添加剂有关。添加剂对于冰晶石导电率的影响，可分为两类；向电解质中添加氟化锂和氟化钠能改善电解质的导电性，特别是氟化锂效果显著。向电解质中添加氟化钙和氟化镁能降低电解质的导电度，但它们能使炭渣好分离，减少电解质中的炭粒含量，可使电解质的导电性较好，间接地增加导电率。,
9、表面性质,（1）表面张力； （2）湿润性。,(1)表面张力：,表面张力：熔体（液体）的表面质点（分子、原子或离子）所受的力与熔体内部质点不同，熔体内部质点受其周围质点的作用力（斥力或引力）是对称，合力为零。,生产中要求电解质与阳极气体之间有较大的表面张力，有利于阳极气体的逸出，要求电解质与铝液之间应有较大的界面张力，这样可以降低铝在电解质中的溶解速度，增大铝与电解质的分离速度。,（2）湿润性,湿润性。是表示液相对固相的湿润能力。液相对固相表面的湿润程度取决于其表面张力的大小 。 实践证明，电解质熔体随Al2O3浓度样增加，对碳素材料的湿润性变好，在有铝存在的情况下，电解质对碳素材料的湿润性也有
10、所改善，在生产中，要求电解质对阳极的湿润性要适当好些，对阴极的湿润性要差，电解质对阳极的湿润好，可以使阳极气体迅速脱离阳极表面，减小所膜电阻，但也宜太好，太好会造成电解质中的碳渣分离困难，电解质对阴极湿润性差，可以有效阻止电解质向阴极内衬中渗透，减轻炉底破损。,液体对固体的湿润角,90表示液体对固体的湿润性不良， 角越大，湿润性越差。 90则表示液体对固体的湿润性好， 角越小，湿润性越好。,湿润性,影响电解质湿润性的因素： 1.电流密度和铝的影响。 2.氧化铝浓度的影响。 3.冰晶石物质数量的影响。 4.碳素材质的影响。 5.炭阳极中添加锂盐的影响。 6.炭阴极上硼化钛的影响。,湿润性,挥发性
11、,物质的挥发性，一般是指液体在低于沸点的状态下，分子以气态排出（蒸发）的程度。 在生产当中，要求电解质的挥发性要小，一是可以减小冰晶石的挥发损失，二是可以减小有害物的排放对人体减少危害，并减轻环境污染。,添加剂对电解质的影响: 能满足电解生产添加剂的条件为； 1.在电解过程中不参与电化学反应，以免电解出其他元素而影响铝的纯度。 2.能够对电解质的性质有所改善。 3.对氟化铝溶解度的影响不能太大，吸水性和挥发性要小。 4.来源广泛，价格要低廉等。,能够部分满足上述要求的添加剂有，氟化铝，氟化钙，氟化镁，氟化锂，氟化钠。 常用添加剂的优点；都具有降低电解质初晶温度的优点。 缺点是降低氧化铝在电解质
12、中的溶解度，和溶解速度。,铝电解过程中两极副反应都是什么?,在冰晶石一氧化铝熔盐铝电解过程中，在电解析出铝的同时，在两极上还伴随发生一些重要的过程和现象，因这些过程和现象对生产有害无益，所以称为两极副反应， 在阴极副反应中有金属钠的析出，阴极铝的再溶损失，炭化铝的生成； 在阳极副反应中有阳极效应、阳极气体成分的变化,1.阴极副反应；,1.铝的溶解反应，金属铝壳部分溶解在冰晶石熔体中。 2.金属钠的折出，在阴极的主反应是折出铝而不是钠，因为钠的折出电位比铝的低。 3.碳化铝的生产，在高温条件下铝可与碳发生反应生成碳化铝。,阳极效应；,阳极效应是熔盐电解时发生在阳极上的一种特殊现象。铝电解过程中，
13、当期电流密度达到一定值后称为临界电流密度，槽电压 聚 升，可从几伏，增至几十伏，阳极附近出现电弧光和噼啪声，这一现象称为阳极效应。,阳极效应发生的机理学有哪些?,1.湿润性理论。 2.氟离子放电理论。 3.静电引力理论。 4.综合理论。,该理论认为发生阳极效应是由于电解液对阳极的湿润性改变所致。当电解液内氧化铝浓度高时，电解液对阳极的湿润性很好，阳极过程中产生的气泡很容易从阳极上排挤掉；当氧化铝浓度降低时，电解液对阳极的湿润性变坏，阳极上的气泡不易被排开，于是小气泡合并成大气泡，最终在阳极底掌形成一个气膜层，从而发生阳极效应。 在发生阳极效应时，向电解质中添加氧化铝，电解液对阳极的湿润性重新变
14、好，于是阳极气膜遭到破坏，效应熄灭，恢复正常电解过程。,阳极效应机理湿润性理论,阳极效应发生的机理学-氟离子放电理论 这种理论则认为阳极效应是由于阳极过程发生了改变，即氟离子放电所为。该理论的依据是，阳极效应发生前和发生中，阳极气体中除了二氧化碳和一氧化碳之外，还含有四氟化碳气体。在临近阳极效应时，阳极气体中含有少量四氟化碳（0.42%），而效应发生时，四氟化碳气体含量上升到1535%。,理论认为，在氧化铝浓度高时，电解质中铝氧氟离子中氧离子的比例较大，此时阳极上理应氧离子放电，但在氧化铝浓度很低时（2%以下），氟离子比例增大，这给氟离子与氧离子共同放电创造了条件，当这两种离子一起在阳极上放电
15、时，阳极过程更加迟滞，阳极从活化状态转向钝化状态，阳极气体开始大量积聚在阳极上，将电解质与阳极隔开，于是效应发生。,阳极效应发生的机理学-静电引力理论 该理论认为发生阳极效应是由于阳极气体之间的静电引力所引起。在含氧化合物的电解质是气泡带正电荷，所以气泡能从阳极上排出，当电解质里氧化物缺乏时，气泡就带负电荷，于是被阳极吸引住，引起效应发生。,阳极效应发生的机理学-综合理论 这种理论是一、二种理论的综合，即认为发生阳极效应一方面是由于电解质对阳极的湿润性变化，另一方面又是由于氟离子放电而改变了阳极气体组成，或者改变了碳阳极的表面性质，从而使电解质对阳极的湿润性骤然恶化，于是发生了阳极效应。,综上
16、所述，发生阳极效应的共同特点是，电解质中氧化铝浓度降低，在工业铝电解槽上，当在正常状态并在适当低的温度下电解时，阳极效应趋向于较低的氧化铝浓度（0.51.0%）发生；当电解质温度过低时，效应可在2%左右浓度下发生，若电解质过热时，不发生阳极效应。,阳极效应发生的机理学-综合理论,到现在，产生阳极效应的机理尚未完全探明，但此现象早已熟知。铝电解时发生阳极效应，显然同阳极表面生成某些化合物和积聚气体有关。 工业铝电解槽里氧化铝含量低于1%时，氟离子和氧离子共同在碳阳极上放电，形成氧氟化合物(COF)，随后和其他吸附化合物一起积聚在阳极表面上。此时，电解质对碳阳极的湿润性变坏，电解质会在更大程度上为阳极所排斥，于是阳极的有效电流密度逐渐增加，达到临界电流密度时，便发生阳极效应。其外观特征是：在阳极周围产生明亮的小火花，气泡停止在阳极析出，电解质也停止沸腾。熔盐和阳
