1、铝电解的发展进程铝电解的发展进程铝电解槽的演变 铝电解槽是炼铝的主体设备。在铝工业初期，曾采用48kA小型预焙阳极电解槽。而目前大型电解槽的电流达到300一500kA。每千克铝的电能消耗量也明 显减少。在铝工业初期，高达42kw/h，现代大型预焙槽已降低到132kw/h。铝电解槽的电流效率，在铝工业初期为70左右，现在已经提高到90一95。铝的历史及铝电解的发展 铝是地壳中储量居第三位的元素(约为8)，在各种金属元素中铝居首位，但自然界未发现游离状态的金属铝。铝是许多矿物的重要组元，包括泥土、铝土矿、云母、氟石、明矾石、冰晶石等，以及若干氧化物形态矿物，如刚玉、玉石、红宝石等都含铝元素。174
2、6年德国人波特(JH-Pott)用明矾制得一种氧化物，即氧化铝。18世纪法国的拉瓦锡(AL.Lavoisier)认为这是一种未知金属的氧化物，它与氧的亲和力极大，以致不可能用碳和当时已知的其他还原剂将它还原出来。铝的发现和提取 1807年英国人戴维(HDavy)试图电解熔融的氧化铝以取得金属，没有成功。1809年他将这种想像中的金属命名为alumium，后来改为aluminium。1825年丹麦人奥斯特(H.C.Oersted)用钾汞齐还原无水氯化铝，第一次得到几毫克金属铝，指出它具有与锡相同的颜色和光泽。1827年德国沃勒用钾还原无水氯化铝得到少量金属粉末。1845年他用氯化铝气体通过熔融金
3、属钾的表面，得到一些铝珠，每颗重约1015mg，从而对铝的密度和延展性作了初步测定，指出铝的熔点不高。1854年法国戴维尔(scDeville)用钠代替钾还原NaAlCl4络合盐，制得金属铝；同年建厂，生产出一些铝制头盔、餐具和玩具。当时铝的价格接近黄金 1886年美国霍尔(CMHall)和法国埃鲁特(P.L.THeroult)几乎同时分别获得用冰晶石-氧化铝熔盐电解法制取金属铝的专利。1888年在美国匹兹堡建立世界上第一家电解铝厂，铝的生产从此进入新的阶段。1956年世界铝产量开始超过铜而居有色金属的首位，成为产量仅次于钢铁的金属。虽然自然界中铝的资源储量很高，但是铝的工业生产却很晚，直到1
4、9世纪20年代才真正把铝制备出来，比金属铜和铁晚了两千多年。主要原因是铝和氧结合得十分牢固，难以把铝分离出来。炼铝方法的发展可分为两个时期：最初是化学法，然后是电解法。铝的工业化生产开始于1855年，当时法国人戴维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得金属铝。拿破仑三世预见到它在轻型铠甲中的潜在应用而使铝的军事应用获得政府支持。然而，直到冰晶石一氧化铝熔盐电解法实现工业应用之前，仅生产出少量的铝。铝电解简史 1854年德国人本森(RBunsen)用电解NaAlcl。熔盐制得了金属铝。当时，由于电价格太高而且不能获得大电流，因而不能进行工业电解试验。1867年发明了发电机并在1880年加以改进，这种电源才
5、可用于工业生产。1883年美国布拉雷(Bradley)提出冰晶石一氧化铝熔盐电解方案。3年之后即1886年，美国的霍尔和法国的埃鲁特都在当年通过实验申请了冰晶石氧化铝熔盐电解法的专利，这就是霍尔一埃鲁特法。这一方法的要点仍是近代铝电解工业的基础。自从1886年发明了冰晶石一氧化铝熔盐电解法之后，1888年11月霍尔在美国Pittsburgh建厂实现工业化生产，1889年埃鲁特在瑞士Neuhausen建厂生产铝，这就是电解法工业生产铝的开始。1888年8月奥地利科学家拜耳(KJBayer)申请了从铝土矿提取氧化铝的专利。与此同时，瑞士冶金公司利用莱茵河上的水力发电，获得了廉价的电力。由此，霍尔一
6、埃鲁特法、拜耳法以及廉价的电力推进了美国和欧洲铝工业的发展，于是，电解法很快取代了化学法。化学法总共生产了约200t铝，前后约30年，该工艺在19世纪末逐渐被淘汰。以后，其他各国相继采用冰晶石一氧化铝熔盐电解法炼铝，英国开始于1890年，德国为1898年，奥地利为1899年，挪威为1906年，意大利为1907年，西班牙为1927年，苏联为1931年，中国为1938年。冰晶石一氧化铝熔盐电解法发明120多年来，全世界的铝产量已有极大的增长。1890年是化学法和电解法的交替时代，原铝的产量只有180t左右。1970年达到1000万t，1980年为1625万t，2000年突破了2400万t，2019
7、年已超过2500万t。目前冰晶石一氧化铝熔盐电解法仍然是工业炼铝的唯一方法。多年以来，为了探索新的炼铝方法，曾经试验了多种炼铝新方法，如碳热法、氯化铝法等，虽然取得了一定的进展，但在可预见的将来都还不能在经济上和规模上与熔盐电解法相匹敌。20世纪80年代以前，工业铝电解的发展经历了几个重要阶段，其标志性的变化有：电解槽电流由24kA、60kA增加至100150kA；槽型主要由侧插棒式(及上插棒式)自焙阳极电解槽改变为预焙阳极电解槽；电能消耗由吨铝22000kwh降低至15000kwh；电流效率由70%80逐步提高到85%，90。1980年开始，电解槽技术突破了175kA的壁垒，采用了磁场补偿技
8、术，配合点式下料及电阻跟踪的过程控制技术，使电解槽能在氧化铝浓度变化范围很窄的条件下工作，为此逐渐改进了电解质，降低了温度，为最终获得高电流效率和低电耗创造了条件。在以后的年份中，吨铝最低电耗曾降低到1290013200kwh，阳极效应频率比以前降低了一个数量级。80年代中叶，电解槽更加大型化，点式下料量降低到每次2kg氧化铝，采用了单个或多个废气的捕集系统，采用了微机过程控制系统，对电解槽能量参数每5s进行采样，还采用了自动供料系统，减少了灰尘对环境的影响。进入90年代，进一步增大电解槽容量，吨铝投资较以前更节省，然而大型槽(特别是超过300kA的电解槽)能耗并不低于80年代初期较小的电解槽
9、，这是由于大型槽采取较高的阳极电流密度，槽内由于混合效率不高而存在氧化铝的浓度梯度；槽寿命也有所降低，因为炉帮状况不理想，并且随着电流密度增大，增加了阴极的腐蚀，以及槽底沉淀增多，后者是下料的频率比较高，而电解质的混合程度不足造成的。尽管如此，总的经济状况还是良好的。90年代以来，电解槽的技术发展有如下特点：(1)电流效率达到96。(2)电解过程的能量效率接近50，其余的能量成为电解槽的热损失而耗散；(3)阳极的消耗方面，炭阳极净耗降低到0.397kgkg(A1)；(4)尽管设计和材料方面都有很大的进步，然而电解槽侧部仍需要保护性的炉帮存在，否则金属质量和槽寿命都会受负面影响；(5)维护电解槽
10、的热平衡(和能量平衡)更显出重要性，既需要确保极距以产生足够的热能保持生产的稳定，又需要适当增大热损失以形成完好的炉帮，提高槽寿命。我国的电解铝工业1954年第一家铝电解厂(抚顺铝厂)投产，50多年来铝电解生产技术已取得巨大成就。2019年开始我国原铝产量一直居世界第一位。2019年原铝产量已达到1255万t。截至2019年底，我国有铝电解厂120余家，现已能设计、制造、装备180kA、200kA、280kA、320kA、350kA及400kA等容量的预焙阳极铝电解槽以及相应的配套工程设施，包括炭素厂、原料运送系统、干法净化系统与环保工程等。2019年起开始向国外进行铝电解全套工程技术出口。在
11、电解槽设计中，已掌握“三场”仿真技术，在模拟与优化设计方面采用了ANSYS和MHD等软件；能较好地处理电解槽的磁场、流场、热一电平衡等问题，为大型和特大型预焙槽的设计和制造奠定了基础。我国近几年开发应用的200kA及其以上容量的大型预焙铝电解槽均取得了较好的技术经济指标 示，以目前已开发应用的最大容量铝电解槽350kA预焙槽为例，主要技术经济指标为：电流效率9443；直流电耗13310kwht(A1)；阳极净耗397kgt(A1)。采用干法净化后，厂区周边环境大气中氟化物的含量没有增加，烟囱与工作地带氟化物排浓度分别为244mg/m3。(国家标准为15mgm3)、034mgm3(国家标准为15
12、lmg/m3)；劳动生产率为3.76t(人a)；据报道，目前国际上电解铝厂电流效率最高的电解槽为Alcan一Pechiney公司在加拿大魁北克的325kA电解槽系列，年平均电流效率为960，电耗13000kWht(A1)，炭阳极净耗397k/t(A1)。世界上最大的500kA电解槽AP50，长18m，宽5m，电流效率为950。以上数据表明，我国铝电解技术已达到国际先进水平，但是要看到我国多数中等规模铝厂此水平还有相当大的差距，有待改进提高。铝电解槽的发展分为三个阶段：第一阶段 在铝工业初期采用小型预焙阳极，这跟碳阳极工业的生产水平相适应。第二阶段 按照当时铁合金 电炉上的连续自焙电极形式，在铝
13、电解槽上装设了连续自焙阳极，自焙阳极的采用，铝电解槽结构形式发展进入第二个阶段。第三阶段 在50年代中期，改造了原来的小型预焙槽，使之大型化和现代化，成为新式大型预焙槽。铝电解槽的分类(1)按槽型分按槽型分，现代铝工业共有两类、共四种形式，现代铝工业共有两类、共四种形式的电解槽：的电解槽：自焙阳极电解槽：侧插棒式和上插棒式；自焙阳极电解槽：侧插棒式和上插棒式；预焙阳极电解槽：不连续式（中部打壳式和边预焙阳极电解槽：不连续式（中部打壳式和边部打壳式）和连续式。部打壳式）和连续式。(2)按电流强度按电流强度可分为大、中、小型电解槽。大致可分为大、中、小型电解槽。大致范围如下：范围如下：大型电解槽大
14、型电解槽(100KA以上以上);中型电解槽中型电解槽(45100KA);小型电解槽小型电解槽(45KA以下以下)。表 各类槽型的发展和演变过程阶段 槽型使用时期电流强度(kA)电流密度(A/cm2)直流电耗(kWh/t-Al)机械与自动化I小型焙烧炉1920年前386.51.480000 25000 19201950551.31.021000以下II侧插槽20世纪30年代中期至今25300.71.022000 14500半机械化操作9095III上插槽20世纪50年代中期至今1000.8以下1800016500后期采用多种作业联合机组1001300.7以下1800014500IV现代化预焙槽1
15、9501960100以下1.10.91700014000今采用计算机智能模糊控制系统19601970100150197019861802800.90.613900132001986至今280550电解槽大型化是我国铝工业发展的基本特点电解槽大型化是我国铝工业发展的基本特点 20192019年年全国生产铝厂全国生产铝厂147147家家 产量产量780.780.万吨。万吨。其中：其中：160 kA160 kA槽约槽约24002400台台 产能约产能约110110万吨万吨 中铝中铝11941194台台（青（青520+520+贵贵416+416+桂桂258258）5050万吨万吨 4545 200kA
16、200kA级级（186186240kA240kA）槽）槽67006700台（在建台（在建17001700）5252家产能家产能420420万万吨，产量吨，产量350350万吨万吨 中铝中铝4 4家家800800台（青台（青268+268+贵贵238+238+鲁鲁102+102+包包192192）5252万吨万吨 14.8%14.8%300 kA300 kA级级（280280350kA350kA）30003000台（在建台（在建800800）1616家产能家产能320320万吨万吨，产量约，产量约300300万吨万吨 中铝中铝2 2家家30.530.5万吨（含在建）万吨（含在建）G320-30+S300-G320-30+S300-348 348 11.311.3 在建最大槽为在建最大槽为400kA400kA 2019：934.92万吨（万吨（25.89）；）；2019：1225.86万吨万吨2019年产能年产能 2300万吨，产量万吨，产量1600万吨。万吨。
