电解铝的基础知识

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1、电解铝的基础知识1、铝的性质：熔点低、熔点660C、沸点高、密度小、电阻率小、有良好的导 电性和反射光的能力、无磁性。具有两性，可与多种金属构成合金，与氧反应。 其电化当量 C=0.3356g.A-1.h-12、电解质主要成分是冰晶石，电解炼铝主要原料是氧化铝。炼铝历史：化学法炼 铝（1886年前）、电解法炼铝（1886年后）。3、电解槽是电解炼铝的核心设备；根据阳极分可以分为预焙阳极和自焙阳极， 自焙阳极按导电方式分为旁插棒式和上插棒式，预焙阳极按连续使用与否分为连 续式与不连续式；电解槽系列有横向和纵向两种。4、冰晶石即氟铝酸钠，分子式为：Na3AIF6,或3NaF.AIF3，它有人造冰晶

2、石和 天然冰晶石两种。人造冰晶石生产方法主要有酸法，碱法，干法和磷肥副产法。5、电解铝电解质以冰晶石为主体的原因（H-H法优点）：1）冰晶石中不存在 析出电位比铝正的元素,这可避免其他金属离子在阳极放电而降低AI的质量,2） 熔融的冰晶石易溶解AI2O3, 3）AI2O3的熔点为2030C,而AI2O3与Na3AIF6 形成熔体后，其初晶温度降为930-980C,4）熔融的冰晶石-氧化铝熔体具有较小 的密度,5）具有较好的导电性和适合的粘度,6）不与槽内衬发生电化学反应,7）在电 解温度下不吸水，挥发性不大，8）在电解温度下，具有较小的挥发度。6、铝电解生产中向电解质加入添加剂的目的：改善原有

3、电解质的性质，满足电 解需求。对添加剂的基本要求：1）在电解过程中不被电解成其他元素而影响AI的质量；2）应能对电解质的性质有所改善3）吸水性和挥发性要小；4）对AI2O3的溶 解度不能有太大影响5）来源广泛，价格低廉。7、分子比：MR=NaF分子百分数/ AIF3分子百分数Mv3酸性电解质MR=2WR WR=NaF质量百分数/AIF3质量百分数。&添加剂对铝电解质熔体密度的影响：CaF2, MgF2的添加使电解质的密度增 大。就影响程度而言，CaF2甚于MgF2,但是在添加量为510%时，对电解 质的密度影响很小。添加剂NaCI和LiF对Na3AIF6 -AI2O3系熔体密度的影响 与之相反

4、，他们都使熔体的密度明显的降低。9、工业铝电解质的密度：当工业电解质的摩尔比在2.42.7范围内，AI2O3浓 度为46%, CaF2为24%时，其密度为2.0952.111（g/cm3）。比铝液 的密度（2.3） 低 0.2 g/cm3左右。10、熔体的导电率是指1cm，截面积1cm2的体积的熔体的电导，也称为比电 导。11、添加剂对铝电解质粘度的影响：随着MgF2和CaF2含量的增加，熔体的 粘度也随之增加；NaCI和LiF的添加将使得冰晶石一氧化铝熔体的粘度降低。 粘度大，熔体的电导率降低；粘度小，导电率增高，但却加速了铝的溶解与再氧 化反应而使电流效率降低。12、电解质的分类：用分子比

5、分为酸性，中性，碱性。电解槽用酸性电解质。 电解槽采用酸性电解质的原因：1）酸性电解质满足铝在电解质中的溶解度小2） 电解质中Na+浓度不太高3）电解质的初温温度低4）结壳松软，便于加工。两极上的放电反应：阳离子向阴极移动：AI3+ （配离子）+3eAI阴离子向阳极 移动：202-（配离子）+C-4e=CO2（C为阳极）；202-（配离子）-4e=O2（惰性 阳极）。主反应：2AI3+ （配离子）+302-（配离子）+1.5C=2AI+1.5CO22、分解电压：维护长时间稳定电解，并在电极上获得电解产物所必须外加到两 极上的最小电压。测定的主要方法：测定化学电池的电势。惰性电极（Pt电极） 测

6、得的分解电压为2.12.2V，活性电极（C电极）测得的分解电压为1.151.16V。3、AI2O3在950C生成的分解电压：惰性阳极2.224，活性阳极1.24、两极上发生副反应：阳极副反应：1）阳极气体的二次氧化作用2）阳极过电 压3）阳极效应；阴极副反应：1）铝的溶解及损失2）Na+的析出。5、临界电流密度：在一定条件下，电解槽发生阳极效应时的最低阳极电流密度。 判断依据：阳极电流密度大于临界电流密度时，将发生阳极效应6、阳极电流效应现象：阳极周围（指与熔体接触的部位）电弧耀眼夺目，并伴 有噼噼啪啪的声响，阳极周围电解质却不沸腾，没有气泡大量析出。电解质好像 被气体排开，电解槽的工作电压处

7、于停顿状态。此时槽电压有原来的4V猛升到 3050V,甚至更高，与电解槽并联的指示灯发亮，表示该电解槽发生了阳极效 应。7、阳极效应的机理：润湿性变差学说P159:润湿性变差是指电解质对炭阳极底 掌的润湿性变差。这种学说认为，在正常电解时，熔体对阳极底掌的润湿性良好， 气泡很快地被电解质从底掌排挤出来。当熔体中AI2O3浓度降低到一定程度时， 润湿性变差，致使阳极气体不能及时排走，气泡逐渐聚集成大面积的气膜，覆盖 于阳极底掌上，这样，气膜就阻碍电流的畅通。电流被迫以电弧的形式穿透气膜， 放出强烈的弧光和振动噪音，这就是阳极效应。&效应系数：每台槽一昼夜发生阳极效应的次数。（看）9、发生阳极效应

8、的利弊：利：1）可根据效应的情况来检查电解槽的运行情况2） 可以调节电解槽的温度，有利于炭值分离；弊：1）阳极不产铝2）电压大大增 加，电耗大大增加，影响产量3）由于电压升高，电解温度升高，杂质Na+放 电，影响AI的质量。（看）1、电流效率：电解槽通过一定电流，在一定时间，实际产铝量与理论上应产铝 量之比n=（P实/P理）x100% P实=Cltx10-3kg C：铝的电化当量，表示在电 解槽通过1A电流，经过1小时电解即通过3600库电量时，理论上在在阴极上 所析出的铝的克数。C=0.3356g.A-1.h-12、电流效率降低的原因：1）铝的溶解和再氧化损失2）铝的不完全放电，3） 其他离

9、子放电：钠离子放电，杂质离子放电4）其他损失：水的电解，碳化铝的 生成，熔体中电子导电。3极距：铝电解槽中铝液界面至阳极底掌的距离。理论电耗：用来分解氧化铝的最小电耗量（此时没有热损失，没有铝损失，没有 电流空耗，即r=1，N=1叫做理论电耗量）W理。与理论电耗W理相对应的电 压称为理论电压。4、电能效率是指生产一定数量的金属铝，理论上应该消耗的能量（W理）和实 际上所消耗的能量（W实）之比。理论电耗率就是单位产铝量理论上所需要的 能量。工业铝的电能消耗的分配：1）补偿反应过程的自由能变化所消耗的能量 2）补偿反应物由室温T1升高到电解温度T3热焓变化所消耗的能量3）补偿反 应过程束缚能所消耗

10、的能量4）补偿电解槽四周空间的热损失所消耗的能量5） 电解槽外部线路上的电能损失降低电流效率的原因：1）铝的溶解和再氧化损失，它是电流效率降低的主要原因。已电解出来的铝又 溶解或机械混入到电解质中，并被循环的电解质带到阳极空间被阳极气体CO2 或空气中02所氧化2）铝的不完全放电高价铝离子的不完全放电是造成电流效 率降低的重要因素之一。在阴极，AI3+2eAI+；在阳极，AI+-2eAI3+这些 反应反复进行，造成电流的无功损失3）其他离子放电，主要是钠离子放电，钠 离子沸点低，以气体状态蒸发或渗入槽底；钠离子放电的可能性还随着阴极电流 密度的提高而增大。还有杂质离子放电，熔体中因原料哦不纯带

11、进许多杂质，如 等离子。这些离子的电位都正于铝离子，而优先在阴极上放电，其结果使铝的品 位降低，电流效率降低4）其他损失水的电解、碳化铝的生成、熔体中的电子导 体、阳、阴间的极短路、漏电、以及出铝时的机械损失等也都是电流效率下降的 原因。提高电流效率的途径（电流效率的影响因素）：电流效率 n= 1-kzf（Co-C）/6D 阴*100%1）电解温度：电解温度越大，溶解铝的扩散速度越快，电流效率损失越大，铝 的二次反应加剧，铝损失增大，电流效率降低2）极距：极距增大，搅拌作用减小，扩散层厚度增加，铝损失减小，电流效率 增大，当极距超过一定程度，电解温度明显升高，对流循环加快，电流效率提高 放缓趋

12、于03）电解质成分：氧化铝浓度低，溶解快，熔体中无悬浮的氧化铝颗粒，有利于 稳定生产，提高电流效率，能降低铝损失的添加剂有利于提高电流效率。4）铝液高度：铝是电热良导体，它的存在，能将阳极下部多余的热量从电解槽 四周疏导出去，使电解质温度趋于均匀。同时降低水平电流，提高电流效率。但 当达到一定高度后，电流效率反而会随高度的增加而降低。5）电流密度：电流密度随阴极电流密度的增大而增大，在阳极电流密度一定的 情况下，缩小阴极面积提高阴极电流密度，可以提高电流效率。6）电解质高度。5、铝电解槽的电压平衡：V平=厶V槽+A V母+A V效，（1）电解槽工作电压（ V槽）：又简称槽电压， 可以由电解槽上

13、的电压表直接测出。槽电压包括阳极，阴极，电解质电压降和反 电动势（或称实际分解电压） V槽=厶V阳+A V质+A V阴+E反（2）槽外母 线电压降（厶V母）（3）阳极效应分摊电压降 V效6、铝电解槽的节能途径：1）提高电流效率2）降低平均电压：提高电解质的电导率，降低阳极过电压， 降低母线压降3）降低电解槽的热损失：增加壳面的保温料的厚度；加强槽体保 温。7、处于正常生产状态的电解槽外观特征有：1）火焰从火眼强劲有力的喷出，火焰的颜色为淡蓝色或稍带黄线2）槽电压稳 定，或在一个很窄的范围内波动3）阳极四周边电解质“沸腾”均匀4）炭渣分离 良好，电解质清澈透亮5）槽面上有完整的结壳，且疏松好打&

14、 （了解）铝电解槽的焙烧：对自焙槽，焙烧阳极炭块；对预焙槽，焙烧阴极。 预焙槽的目的：1）烘干炉体2）烧结炭糊3）提高槽膛和内衬的温度，为下一 步启动做准备。对于自焙槽，除了以上目的，还为了把阳极焙烧好。电解槽焙烧方法：1）铝液预热法2）焦粒焙烧法3）石墨粉焙烧法4）燃料预热 法。9、铝电解槽的常规作业主要包括有加料（或叫加工），出铝和阳极工作三部分 加料方式：自焙槽边部加料，在两大面；预焙槽中间加料，自由下料。加料要求：勤加料、少加料（加料次数多，每次加料量少）优点1）氧化铝溶解 快，槽里不会产生沉淀2）均匀保持氧化铝浓度，提高电解质的导电率3）使电 解槽中的温度波动小，保持电解槽平稳操作4

15、）减少阳极效应的发生，使效应系 数减小到0.3以下。（加料量的计算）10、每二次出铝之间称之为出铝周期。中型槽一般为12天，大型槽每天出一 次，每次出铝量大体上等于在此周期内的铝产量。11、调节分子比的原因：电解质分子比变动1）启动期，从熔化到正常生产，分 子比减小。主要是碳素材料内衬吸收分子比高的组分，使得NaF减小；2）正常 生产期，分子比增大。主要是冰晶石被原料中的H2O、Na2O、CaO分解，使 得NaF增多，A1F3减小，另外A1F3挥发，使得A1F3减少。调节方法：一般加 A1F3来降低分子比，用Na2CO3或NaF来调高分子比。（分子比的计算）1、电流效率的计算（P162） n=

16、 （P实/P理）X100%理论产铝量：M理=Clt （g） = Cltx10-3实际产铝量：M实=皿上Mo工Mi； Mt： 计算周期结束时，槽中剩余的铝量（kg）； Mo：计算周期开始时，槽中的低铝 量（kg）；工Mi:计算周期时间出铝的总量（kg）2、铝电解的电能效率（P179）：nE=（W 实/W理）100%;G=Q 实/W 实=0.3356n/V； 电耗率w= W实/ Q实=2.98V/n其中n表示电流效率，V表示电解槽平均电压。例1一个64KA的铝电解槽一个月（30天）共出铝13452Kg，月初还盘存槽中 的铝量为4000Kg，月末盘存加槽中铝量为4150Kg求该槽本月的电流效率。答：n=（P2-P1） +Mi/Clt*10-3 =（