? （ 2 ）生产过程阳极物理变化影响。在电解铝生产当中， 阳极炭块发生物理变化，主要包括了阳极炭块氧化掉 渣、高温冲击炸裂掉块。发生物理变化对电解槽工作 产生以下影响： ? 1 ）使电解质电阻升高 ? 2 ）使阳极电流密度增加，炭阳极发热，由于掉渣掉块， 缩小了阳极的导电面积，电极电阻升高，导致阳极发 热，钢爪发红。 ? 3 ）使电解质温度升高，产生热槽，炭渣累积，电解质 电阻大，槽电压升高，热收入增加，逐步形成热槽。 ? 4 ）发生阳极长包和侧部漏电。较多的炭渣聚集在一起， 在侧部使炉帮不易形成和保持，聚集在角部和阳极下 的炭渣过多导致阳极长包。 ? 5 ）一旦出现阳极掉块掉渣，必须要进行人工打捞，需 要在电解槽角部边部开口捞取，耗费较大的工作量 。 ? （ 3 ）阳极缺陷影响。阳极缺陷是生产中不符合标准的 次品，其实也属于阳极质量的范畴。这些不符合标准的 阳极炭块应用到电解生产上，会产生以下影响： ? 1 ）使用均质性差的阳极，在电解过程中将导致电流分 布不均，阳极消耗不均，使阳极出现长包或者不消耗等 异常现象。 ? 2 ）阳极的孔隙大，其抗氧化能力降低，对二氧化碳的 反应性增加，导致炭渣增多，炭耗增加，电流效率下降， ? 3 ）表面氧化的阳极，由于便面疏松和表面积缩小，导 致炭渣增多和阳极电流密度增大；另外是表面结焦的阳 极产生的炭渣量也会很多。 ? 4 ）使用裂纹的阳极，由于裂纹的长短、深浅、方向不 同，对电解造成的影响也不同；裂纹短、浅，在使用过 程中会导致炭渣增多和掉碎块裂纹长切身，若是纵向李 文，将导致阳极裂开，阳极压降升高，甚至造成掉块或 阳极脱落；若是横向裂纹，将产生掉块会阳极断层，严 ? 综上所述，阳极炭块质量对铝 电解生产影响甚大。阳极质量 出现问题首先导致电解质成分 和阳极电流分布发生变化，然 后破坏技术条件，最后形成病 槽。所以，把握阳极炭块质量， 控制原材料质量，对铝电解生 产的经济指标意义很大。 六、电解铝产量 ? 1 、电解槽出铝量 ? 电解槽出铝量是指从电解槽内吸出供铸 造用的铝液的重量，习惯上称作出铝量。 ? 2 、电解铝液产量 ? 电解铝液产量，是铝电解槽实际产出的 计入电流效率的金属铝量。铝液产量是 电解铝生产管理上一个极为重要的产量 指标，是计算一系列技术经济指标的基 础。 铝电解生产原理 电解铝生产原理 ? 一、铝的性质和用途 ? 二、电解铝发展历程 ? 三、电解铝生产工艺流程 ? 四、电解铝基本原理 ? 五、电解铝原材料 ? 六、电解铝产量 ? 七、电解铝主要经济技术指标 一、铝的性质和用途 ? 铝的化学性质非常活泼，与氧的亲和力很强。铝在 空气中能与氧迅速化合，生成一层致密而坚硬的氧 化铝薄膜，厚度为 0.005 ～ 0.02μm ，成为铝的天然保 护层，阻止铝继续被氧化，因而具有好的抗蚀性能， 还可以用阳极氧化或电镀的方法，在铝材和铝制品 的表面生成彩色鲜艳的氧化膜。 ? 铝的导电、导热性好，导电率相当于国际标准退火 铜的 64.94 ％，约为银的一半，如果就相同的重量而 言，铝的导电能力超过这两种金属；铝的导热性几 乎比铁的导热率大 3 倍；铝的反光性能很强，反射 紫外线比银还强，铝在碰击时不产生火花。铝的比 强度 ( 强度与重量之比 ) 高，某些高强度铝合金的机 械强度超过了结构钢；纯铝没有磁性，铝在低温下 (-198 ℃ ) 也不变脆，仍具有较好的机械性能；铝可 以轧成薄板和箔、拉成细丝、挤压成各种复杂形状 ? 铝由于具有优良的物理性能，所以铝在国民经济各部 门和国防工业中得到了广泛的应用。铝作为轻型结构 材料，重量轻，强度大，陆、海、空各种运载工具， 特别是飞机、导弹、火箭、人造卫星等，均使用大量 的铝，一架超音速飞机的用铝量占其自身重量的 70 ％， 一枚导弹用铝量占其总重量的 10 ％以上。用铝和铝合 金制造的各种车辆，由于重量轻，可以减少能耗，所 节省的能量远远超过炼铝时所消耗的能量。在建筑工 业中用铝合金作房屋的门窗及结构材料，铝具有吸音 性能，音响效果也较好，所以广播室、现代化大型建 筑室内的天花板等也采用铝，用铝制作太阳能收集器， 可以节省能源。在电力输送方面，铝的用量居首位， 90 ％的高压电导线是用铝制作的。在食品工业上，从 仓库储槽到罐头盒，以至饮料容器大多用铝制成。在 其他方面，用铝粉作难熔金属 ( 如钼等 ) 的还原剂和作 炼钢过程中的脱氧剂，以及日常生活中的锅、盆、匙 等。 二、电解铝发展历程 ? 铝是化学性质十分活泼的化学元素，它在自 然界中绝大多数以氧化铝形式存在，目前仅 有极少数的自然铝被发现以元素状态存在。 铝的冶炼技术发展是从化学法制取发展到了 现代应用的电解法，目前还有正在研究的溶 液离子电解法。 ? 铝的发现首先是对明矾（硫酸铝）认识，在 八至九世纪，明矾第一次在俄罗斯生产得到 并用于染色业和用山羊皮鞣制皮革。 ? 16 世纪，德国医生兼自然科学历史学家帕拉 塞斯（ Parace/sus P.A.T.1949-1541 ）证实了明 矾是“某种矾土盐”，其中一种成分是一种 ? 1754 年，德国化学家马格拉夫 （ Marggraf.A.S.1709-1937 ）能够分离“矾 土”。这正是帕拉塞斯提到过的那种物质。 ? 1807 年，英国的戴维才把隐藏在明矾中的金属 分离出来，用电解法发现了钾和钠，却没能够 分解氧化铝。即使如此，瑞典的贝采尼乌斯已 为这无法获得的金属取名“铝土”。后来，戴 维又改称它为铝。 ? 1808 年，丹麦的 Oersted 用钾汞还原无水氯化 铝，得到了研磨时可呈现金属光泽的粉未，后 来证明他得到的是一些不纯净的铝。 ? 1827 年，德国 W? hler 用钾还原无水氯化铝，得 到了细微的金属颗粒。 1845 年，他把氯化铝气 体通过熔融金属钾表面，得到了金属铝。 ? 1854 年，法国 Deville 用钠还原 NaCl-AlCl 3 络合 盐，获得金属铝，同年在巴黎附近建成了世界 第一个铝冶炼厂。 ? 1854 年，德国 Bunsen 宣称利用炭电极电解 NaCl-AlCl 3 络合盐得到了金属铝； ? 1883 年，美国 Bradley 提出了电解冰晶石 - 氧化 铝熔盐技术方案，但末获得专利； ? 1886 年，美国的 Hall 和法国的 Heroult 同时申请 了冰晶石 - 氧化铝熔盐电解法炼铝的专利并获 得批准，这便是我们所称的 Hall-Heroult 法。一 直至今，世界上所有的铝厂都是使用此种技术。 三、铝电解生产工艺流程 ? 自霍尔 - 埃鲁法熔盐法应用于电解铝生产 以来，一直是工业生产金属铝的主要方法。 其生产过程是：直流电通过铝电解槽，依 靠电流的焦耳热使电解质融化并维持 930 ～ 950 ℃的电解温度。直流电通过电解 质使 Al 2 O 3 分解，在阴极上析出铝，在阳 极上析出氧并与阳极碳氧化而成 CO 2 和 CO 。铝液真空抽出，经澄清净化浇铸成 铝锭。阳极气体中常含有少量的有害氟化 物气体和粉尘，经过净化，废气排放到大 气，回收的氟化物返回到电解槽。铝电解 生产工艺流程图如下图所示。 ? 电解铝工艺流程图 四、电解铝基本原理 ? 目前铝工业中仍然采用熔盐电解法生产铝，其 基本原理：将氧化铝溶解于冰晶石熔体中，接 通直流电，在阳极和阴极上发生电化学反应， 阳极上产生阳极气体，阴极上析出铝。 ? 电解铝生产铝的过程可以描述为：将固体氧化 铝加入 Na 3 AlF 6 熔体中，发生化学溶解，生成主 要由 Na + 、 Al x O y F 2 （ 2+2y-3x ）－ 、 AlF 6 3 － 、 AlF 4 － 以 及 F － 等离子构成的 Na 3 AlF 6 -Al 2 O 3 熔体；通入直 流电以后， Na 3 AlF 6 -Al 2 O 3 熔体中的阴、阳离子 在电场力的作用下，分别向阳极和阴极方向迁 移；阴离子到达阳极表面发生电化学反应，失 去电子，生成气态物质；阳极离子到达阴极表 面，发生电化学反应，获得电子，变成铝原子， 从而得到液态铝。 ? 在冰晶石 - 氧化铝熔体中，阳离子有络合的 Al 3+ 和单 质的 Na + 。在电解温度为 940 ～ 970 ℃条件下，钠的 平衡析出电位比纯铝的析出电位负 250mV ，因此， 通上直流电以后，在阴极上的络合的 Al 3+ 放电，发 生电化学反应： ? Al 3 ＋ （络合） ＋ 3e ﹦ Al ? 目前铝工业仍然采用活性阳极，阳极本身参与反应。 在阳极炭块上是铝氧氟络合离子中的 O 2 － 放电，发 生电化学反应： ? 2 O 2 － （络） － 4e ＋ C ﹦ CO 2 ? CO 2 被认为是阳极第一反应产物，铝电解的结果只 消耗了 Al 2 O 3 和 C ，因此整个电解过程总反应式为： ? Al 2 O 3 ＋ 1.5C ﹦ 2Al ＋ 1.5 CO 2 ↑ ? 根据铝电解的基本原理，需要为反应 过程提供大量的直流电能，用以推动 反应向生成铝的方向进行；随着电解 反应的不断进行，炭阳极以及溶解于 电解质中的氧化铝不断消耗，生产中 需及时补充，使生产得以连续进行； 原则上冰晶石是不消耗的，但是由于 和杂质反应引起的化学损失、各种机 械损失以及在电解的高温融融状态下 的挥发损失，电解过程中也需要一定 的补充。 五、电解铝原材料 ? 1 、直流电（） ? 2 、氧化铝（） ? 3 、氟化盐（） ? 4 、阳极炭块（） 1 、直流电 ? 直流电视电解槽生产的原动力。电解生产所 需要的直流电主要来自于电力系统的三相交 流电，通过降压、整流、稳流输出低电压大 电流的直流电，满足电解生产的需要。在这 个生产过程中对于降压的要求是降压过程中 各种损耗少，对于整流的要求是整流设备运 行的安全性与稳定性要求高，对于稳流的要 求是电流随电压变化速度快，小时平均电流 波动小，稳流精度高。所以说概括的讲电解 供电主要的技术特点就是高安全性和高可靠 性。 ? 电解铝企业由于采取的是 24 小 时连续生产工作制，同时生产 负荷较大，规模以上大型电解 铝企业的生产负荷达到 300MW ～ 400MW ，有些甚至 达到 500MW 。一旦停电除了 对于企业自身造成重大经济损 失以外，可能对电网稳定性造 成一定的冲击，引起电力系统 震荡。 ? 典型电解铝供电系统流程图 2 、氧化铝 ? 氧化铝俗称铝氧粉，分子式是 AL 2 O 3 （三氧化二铝），是在专门 的工厂由矿石中提炼出来的一种极 细微的白色粉末，流动性很好，不 溶于水，能溶解在熔盐的冰晶石中， 是电解铝的主要原材料。其熔点为 2050 ℃，线 。 电解生产对氧化铝的要求 ? 1 ）在电解质熔体中有较大的溶解速度； ? 2 ）具有尽可能小的热导率，以提高槽面和阳极上 面的氧化铝覆盖料的保温效果； ? 3 ）具有较好的流动性能，以满足管道内输运的需 要； ? 4 ）具有较小的杂质含量，以便提高电解铝的质量； ? 5 ）尽可能少的水分含量。 ? 6 ）具有较好的抗磨损性。这样可使氧化铝在管道 内运输或在干法净化过程中不至于或减少被磨细的 程度。 ? 7 ）要求氧化铝有尽可能大的比表面积，以提高其 在干法净化中吸收 HF 的能力。 氧化铝质量对电解生产的影 响 ? 物理性质影响。电解铝生产要求氧化铝具 有较好的物理性能。可以保证氧化铝在电 解质中的溶解速度快，减少沉淀生成，流 动性好，便于超浓相输送和电解槽自动添 加，在加料和输送过程中飞扬损失小，可 以降低氧化铝单耗，改善工作环境。另外 对 HF 的吸附能力强，能够提法净化 效果。在氧化铝物理性质中，粒度、磨损 指数、比表面积、安息角等物理指标对电 解生产有着不同的影响。 ? 化学性质影响。氧化铝的化学性质是影响原铝 质量和技术经济指标的主要因。