1、1.3.6 铝电解槽铝电解槽 铝电解槽是炼铝的主体设备。铝电解槽是炼铝的主体设备。电解槽槽型：电解槽槽型：（1 1）自焙阳极电解槽：上插式、侧）自焙阳极电解槽：上插式、侧 插式插式 （2 2）预焙阳极电解槽：不连续、连）预焙阳极电解槽：不连续、连 续式续式 目前全世界预焙槽占目前全世界预焙槽占70%70%，自焙槽占，自焙槽占30%30%。电解槽容量及昼夜铝产量电解槽容量及昼夜铝产量 1888 1888-1900-1900年年 4000 4000-8000A -8000A 昼夜产量昼夜产量2424-28kg28kg 目前，目前，300300-500kA-500kA，昼夜产量昼夜产量2170217
2、0-3620kg-3620kg 电流效率电流效率 最初低于最初低于80%80%，现在一般为，现在一般为90%90%，高的达到，高的达到95%95%以上以上能耗能耗 最初高达最初高达3030-40kW-40kWh/kg Alh/kg Al，现在降低到现在降低到1212-15-15 kWkWh/kg Alh/kg Al。生产机械化、自动化，电解槽气体生产机械化、自动化，电解槽气体净化和综合利用净化和综合利用 自焙槽和预焙槽比较：自焙槽和预焙槽比较：（1 1）在电解过程中，阳极大约以）在电解过程中，阳极大约以0.80.8-1.0-1.0 mm/hmm/h速度连续消耗，自焙槽可连续使用，速度连续消耗，
3、自焙槽可连续使用，而预焙槽不能连续使用，须定期更换；而预焙槽不能连续使用，须定期更换；（2 2）自焙槽散发氟化物，沥青烟气，而预）自焙槽散发氟化物，沥青烟气，而预焙槽不散发烟气，污染环境；焙槽不散发烟气，污染环境；阳极电压：预焙槽阳极电压降只有阳极电压：预焙槽阳极电压降只有0.30.3V V，而自焙槽阳极电压降为而自焙槽阳极电压降为0.40.4-0.5V-0.5V，电耗比电耗比预焙槽高预焙槽高10001000kWkWh/Alh/Al。基建投资：预焙槽简单，但制造费用高，基建投资：预焙槽简单，但制造费用高，惟有侧插槽投资最省惟有侧插槽投资最省 预焙槽另外主要优点：预焙槽另外主要优点：槽型大型化、
4、操作机械化和自动化、电流槽型大型化、操作机械化和自动化、电流效率高、电耗率低、烟害小效率高、电耗率低、烟害小铝电解槽排列：横向、纵向，串联成系列铝电解槽排列：横向、纵向，串联成系列铝电解槽结构示意图1.3.7 铝电解的生产过程铝电解的生产过程1.3.7.1 概述概述 铝电解槽全部生产过程包括三个阶段：铝电解槽全部生产过程包括三个阶段：焙烧期、启动和启动后期、正常生产期。焙烧期、启动和启动后期、正常生产期。（1）铝电解槽的焙烧期）铝电解槽的焙烧期 目的：在于焙烧自焙阳极（对预焙槽则目的：在于焙烧自焙阳极（对预焙槽则是加热阳极）以及加热阴极，达到是加热阳极）以及加热阴极，达到900900-1000
5、1000，以便下一步启动。，以便下一步启动。焙烧方法：焦粒焙烧法焙烧方法：焦粒焙烧法 用用1010-15mm-15mm厚的焦粒铺在阳极与阴极之厚的焦粒铺在阳极与阴极之间作为电阻体，炭粒粒度小于间作为电阻体，炭粒粒度小于6 6mmmm而大于而大于1 1mmmm。利用此层电阻体产生加热所需的热利用此层电阻体产生加热所需的热量。焙烧期约为量。焙烧期约为3 3天。天。（2 2）铝电解槽的启动期）铝电解槽的启动期 目的：在电解槽内熔化电解质，开始铝目的：在电解槽内熔化电解质，开始铝电解。分干式和常规启动两种。电解。分干式和常规启动两种。干式适用于启动新系列中的头几台干式适用于启动新系列中的头几台槽，当时
6、厂房内无现成的熔融电解槽，当时厂房内无现成的熔融电解质和铝液，只好在新槽内熔化所需质和铝液，只好在新槽内熔化所需的电解质和铝；常规启动适用已有的电解质和铝；常规启动适用已有电解槽生产，在开始时从正在进行电解槽生产，在开始时从正在进行铝电解槽内取出电解液和铝液倒入铝电解槽内取出电解液和铝液倒入新启动的槽内，以加速启动过程。新启动的槽内，以加速启动过程。启动时间启动时间1 1小时。小时。从启动到正常生产之间有一个过渡期，从启动到正常生产之间有一个过渡期，称为启动后期，大约称为启动后期，大约1 1个月。个月。（3）铝电解槽的正常生产期）铝电解槽的正常生产期 电解槽经过焙烧和启动之后便进入正常电解槽经
7、过焙烧和启动之后便进入正常生产期，直到停槽为止，正常生产期通生产期，直到停槽为止，正常生产期通常延续常延续5 5-7-7年。年。电解槽正常生产的特征：电解槽正常生产的特征：A A、从火眼中冒出有力的火苗，颜色呈从火眼中冒出有力的火苗，颜色呈蔚蓝色或淡紫蓝色；蔚蓝色或淡紫蓝色；B B、槽电压和温度稳定地保持在设定的槽电压和温度稳定地保持在设定的范围内；范围内；C C、阳极完好、周围电解质沸腾良好。炭阳极完好、周围电解质沸腾良好。炭 渣分离出来；渣分离出来；D D、槽面上的结壳完整，疏松好打；槽面上的结壳完整，疏松好打；E E、电解质与铝液分层清楚；电解质与铝液分层清楚；F F、电解槽侧壁上有凝固
8、的电解质，它是电解槽侧壁上有凝固的电解质，它是 由冰晶石和刚玉构成的，是一种电和由冰晶石和刚玉构成的，是一种电和 热的绝缘体。热的绝缘体。1.3.7.2 电流效率电流效率铝电解的电流效率通常是指阴极铝电解的电流效率通常是指阴极 上实际产出上实际产出的铝量对于理论上按照的铝量对于理论上按照 法拉第定律计算的铝法拉第定律计算的铝量的百分数。量的百分数。按照法拉第定律计算理论铝产量：按照法拉第定律计算理论铝产量：在电解过程中，通过在电解过程中，通过1 1法拉第电量理论上应析法拉第电量理论上应析出出1 1摩尔的铝，因此摩尔的铝，因此 铝的当量值铝的当量值=26.98154/3=8.9938=26.98
9、154/3=8.9938g g。1 1法拉第电量法拉第电量=96485=96485A As s，即即96485/360096485/3600 =26.8 =26.8A Ah h。铝的电化学当量值铝的电化学当量值C=8.9938/26.80=C=8.9938/26.80=0.3356g/(A0.3356g/(Ah)h)设电解槽的平均电流（直流）为设电解槽的平均电流（直流）为300 300 kA kA 它的年产铝量应为：它的年产铝量应为：P P=0.3356=0.3356 30030024243653651010-3-3 =882=882t/t/年年 提高铝电解电流效率的主要措施：（提高铝电解电流
10、效率的主要措施：（1 1）在适当低的过热温度下进行电解在适当低的过热温度下进行电解;所谓过热温度，是指电解温度与电解质所谓过热温度，是指电解温度与电解质的初晶点之间的差值。的初晶点之间的差值。每降低过热温度每降低过热温度1010，平均提高电流效，平均提高电流效率率1 1-1.5%-1.5%。（2 2）建立和保持理想的槽膛内型；）建立和保持理想的槽膛内型；（3 3）尽可能使槽内铝液保持平静；）尽可能使槽内铝液保持平静；（4 4）选用低熔点的电解质组成，使用惰）选用低熔点的电解质组成，使用惰 性的可湿润阴极，如二氧化硼涂层性的可湿润阴极，如二氧化硼涂层 阴极。阴极。1.3.7.3 铝电解中的电能消
11、耗与电能效率铝电解中的电能消耗与电能效率电能效率：理论电耗与实际电耗之比电能效率：理论电耗与实际电耗之比 铝工业中节电的意义和潜力铝工业中节电的意义和潜力 根据化学热力学理论计算，生产每吨铝根据化学热力学理论计算，生产每吨铝只需要直流电能只需要直流电能63206320kWkWh h。但是在工业但是在工业上生产每吨铝需要直流电能上生产每吨铝需要直流电能1350013500-14000kW14000kWh h。电能效率电能效率40406060 理论电耗量计算计算W W理论理论=2980=2980*(a1+a2+b)a1+a2+b)a1:a1:反应标准自由能变化反应标准自由能变化 a2a2：补偿反应
12、束缚能补偿反应束缚能T T*S S b:b:反应物（氧化铝、碳）温度变化所需的能量反应物（氧化铝、碳）温度变化所需的能量如：室温下加入氧化铝、碳，电解温度为如：室温下加入氧化铝、碳，电解温度为950950度，计算得到的理论电度，计算得到的理论电能能a1a11.1961.196伏、伏、a2a20.6980.698伏、伏、b b0.2270.227伏伏 W W理论理论63206320KWKW*hr/t-Alhr/t-Al生产每吨铝所需要的电能量生产每吨铝所需要的电能量=V/0.3356 V/0.3356 10103 3kWkWh h 式中式中 V V 电解槽的总平均电压；电解槽的总平均电压；电流效
13、率电流效率 例：某电解槽的平均电压是例：某电解槽的平均电压是4.254.25V V，电流效率是电流效率是92%92%，则生产每吨铝所需的电能量则生产每吨铝所需的电能量=4.25/0.3356=4.25/0.33560.920.92 10103 3=13765 kW=13765 kWh h 节电途径节电途径 （1 1）提高电流效率提高电流效率 （2 2）降低平均电压）降低平均电压 现代工业铝电解槽的技术参数和生产指标（现代工业铝电解槽的技术参数和生产指标（280280kAkA预焙槽）预焙槽）阳极电流密度阳极电流密度/（A Acmcm-2-2)0.70)0.70 槽电压槽电压/V 4.0-4.1V
14、 4.0-4.1 温度温度/945/945-960-960 极距极距/cm 4.0cm 4.0 物质的量比物质的量比 2.0-2.42.0-2.4 氧化铝的质量分数氧化铝的质量分数/%2/%2-4-4 添加剂质量分数添加剂质量分数/%/%CaF2 6CaF2 6 电解质水平电解质水平/cm 20-22cm 20-22 铝液水平铝液水平/cm 12-15cm 12-15 效应系数效应系数/（次（次（槽（槽日）日）-1-1）1.01.0 电流效率电流效率/%90/%90 铝产量铝产量/(/(kgkg （槽（槽日）日）-1-1）20302030 电耗率电耗率/（kWkWh ht t-1-1)1300
15、0)13000阳极效应阳极效应 阳极效应是熔盐电解所固有的一种特征阳极效应是熔盐电解所固有的一种特征现象。外观征象是：现象。外观征象是：（1 1）在阳极周围发生明亮的小火花，并）在阳极周围发生明亮的小火花，并带有特别的劈啪声；带有特别的劈啪声；（2 2）阳极周围的电解质有如被气体拨开）阳极周围的电解质有如被气体拨开似的，阳极与电解质界面上的气泡不再似的，阳极与电解质界面上的气泡不再大量析出；大量析出；（3 3）电解质沸腾停止；）电解质沸腾停止；（4 4）在工业电解槽上，阳极效应发生时）在工业电解槽上，阳极效应发生时电压上升（电压上升（3030-50V-50V，100100V V）1.4 铝精炼
16、铝精炼1.4.1铝的纯度分类铝的纯度分类 (1)(1)原铝。通常是指用熔盐电解法在工原铝。通常是指用熔盐电解法在工业电解槽内制取的铝，其纯度一般为业电解槽内制取的铝，其纯度一般为99.5%99.5%-99.85%-99.85%。（2 2）精铝。一般来自三层液精炼电解槽。）精铝。一般来自三层液精炼电解槽。在精炼槽内，原铝和铜配成的合金作为在精炼槽内，原铝和铜配成的合金作为阳极，冰晶石阳极，冰晶石-钡盐熔液作为电解质，析钡盐熔液作为电解质，析出在阴极上的精铝，其纯度通常在出在阴极上的精铝，其纯度通常在99.9999.99-99.999%-99.999%。（3 3）高纯铝。主要用区域熔炼法制取。）高
17、纯铝。主要用区域熔炼法制取。选用精铝作原料，得到杂质质量分数不选用精铝作原料，得到杂质质量分数不超过超过1 11010-6-6的高纯铝。高纯铝还可用有的高纯铝。高纯铝还可用有机铝化合物物电解与区域熔炼相结合的机铝化合物物电解与区域熔炼相结合的方法制取。方法制取。杂质情况：杂质情况：原铝中主要是铁和硅，此外还有镓、钛、原铝中主要是铁和硅，此外还有镓、钛、钒、铜、钠、锰、镍、锌等。钒、铜、钠、锰、镍、锌等。精铝产品中，主要杂质仍是铁和硅，但精铝产品中，主要杂质仍是铁和硅，但是锌、铜、镁、钠的含量接近铁，可能是锌、铜、镁、钠的含量接近铁，可能会超过硅。会超过硅。从电解槽中取出的铝液通常含有三类杂从电
18、解槽中取出的铝液通常含有三类杂质：质：A A、金属杂质；金属杂质；B B、非金属固态夹杂物：氧化铝、炭、非金属固态夹杂物：氧化铝、炭、碳化铝；碳化铝；C C、气态夹杂物：气态夹杂物：H2H2、CO2CO2、COCO、CH4CH4、N2 N2。其中最主要的是其中最主要的是H2H2。在在10001000，100100g g工业原铝大约溶解氢气工业原铝大约溶解氢气0.20.2-0.4cm-0.4cm3 3。铝液中的氢有两种形态：原子氢和气态铝液中的氢有两种形态：原子氢和气态氢。前者溶解在铝液中，后者吸附在固氢。前者溶解在铝液中，后者吸附在固态夹杂物颗粒上。态夹杂物颗粒上。1.4.2 铝液净化铝液净化
19、 往铝液中通入惰性气体往铝液中通入惰性气体(如氮气如氮气)或活性或活性气体气体(氯气氯气)，可使铝液中的固态夹杂物，可使铝液中的固态夹杂物吸附在气泡上，并随气泡上升至铝液表吸附在气泡上，并随气泡上升至铝液表面面,最后在过滤层中分离。最后在过滤层中分离。净化方法：净化方法：在低温（刚刚熔点以上）长时间静止或在低温（刚刚熔点以上）长时间静止或通入氮气加以搅拌，清除氢。通入氮气加以搅拌，清除氢。通入氯气，与铝反应生成氯化铝气泡。通入氯气，与铝反应生成氯化铝气泡。比氮气效果好。比氮气效果好。1.4.3 三层液电解法制取精铝三层液电解法制取精铝精铝用途精铝用途 70%70%制造电解质电容器，制造反光镜。
20、制造电解质电容器，制造反光镜。美国美国Hoopes1901Hoopes1901年发明年发明下层液体：阳极合金，下层液体：阳极合金，30%30%铜与铜与70%70%铝，铝，密度密度3.43.4-3.7g/cm-3.7g/cm3 3.中层液为电解质，纯氟化物和氯氟化物中层液为电解质，纯氟化物和氯氟化物体系，密度体系，密度2.72.7-2.8 g/cm-2.8 g/cm3 3.最上层精铝，用作阴极，密度最上层精铝，用作阴极，密度2.3 2.3 g/cmg/cm3 3工业上用两类电解质体系：工业上用两类电解质体系：（1 1）纯氟化物体系。其组成中）纯氟化物体系。其组成中AlFAlF3 3 NaFNaF
21、 BaFBaF2 2 CaF CaF2 2的质量分数分别的质量分数分别48%48%，18%18%，10%10%，16%16%；密度（液态）约；密度（液态）约2.82.8g/cmg/cm3 3，熔点熔点680680，操作温度，操作温度740 740。（2 2）氯氟化物体系。其组成中）氯氟化物体系。其组成中AlFAlF3 3 NaFNaF BaClBaCl2 2 NaClNaCl的质量分数分别的质量分数分别23%23%，13%13%，60%60%，4%4%；密度（液态）约；密度（液态）约2.72.7g/cmg/cm3 3，熔熔点点700700-720-720，操作温度，操作温度760760-800
22、-800。铝的电解精炼原理：铝的电解精炼原理：在阳极合金的各种金属元素当中，只有在阳极合金的各种金属元素当中，只有铝在阴极上溶解出来。阳极合金中，如铝在阴极上溶解出来。阳极合金中，如铜、铁、硅之类比不活泼的金属元素，铜、铁、硅之类比不活泼的金属元素，并不溶解，仍然残留在合金内。阳极上并不溶解，仍然残留在合金内。阳极上的电化学溶解反应是：的电化学溶解反应是：Al -3e=AlAl -3e=Al3+3+因此，电解液中除了原有的因此，电解液中除了原有的AlAl3+3+,Ba,Ba2+2+,NaNa+,F,F-,ClCl-,AlF,AlF3-3-6,AlF46,AlF4-之外，增加之外，增加了上述反应
23、中的铝离子了上述反应中的铝离子AlAl3+3+。迁往阴极的各种阳离子中，铝的电极电迁往阴极的各种阳离子中，铝的电极电位比较正，故位比较正，故AlAl3+3+优先在阳极上获得电子，优先在阳极上获得电子，析出金属铝：析出金属铝：AlAl3+3+3e=Al+3e=Al 而其余的各种阳离子，如而其余的各种阳离子，如BaBa2+2+,Na,Na+之类，之类，并不放电。但是电解质本身所含的电位并不放电。但是电解质本身所含的电位比铝更正的元素，例如比铝更正的元素，例如SiSi和和FeFe，却会在却会在阴极上析出，使铝的纯度降低。阴极上析出，使铝的纯度降低。电解精炼的最终结果是从阳极合金中溶解出来，电解精炼的
24、最终结果是从阳极合金中溶解出来，并在阴极上沉积，得到纯度为并在阴极上沉积，得到纯度为99.99%99.99%的精铝。的精铝。生产生产1 1t t精铝需要电能精铝需要电能1700017000-18000kW-18000kWh h（直流直流电）。电）。我国精铝产品的国家质量标准：我国精铝产品的国家质量标准：AB0000 AB000 AB00 AB0 AB0000 AB000 AB00 AB0 Al 99.996 99.99 99.97 99.93 Al 99.996 99.99 99.97 99.93 Fe 0.0015 0.0030 0.015 0.040 Fe 0.0015 0.0030 0.
25、015 0.040 Si Si 0.0015 0.0025 0.015 0.0400.0015 0.0025 0.015 0.040 Cu 0.0010 0.005 0.005 Cu 0.0010 0.005 0.005 0.0150.015 杂质总和杂质总和0.0040 0.010 0.030 0.0070.0040 0.010 0.030 0.007 1.4.4 偏析法制取精铝偏析法制取精铝 基本原理：基本原理：一般当原铝从熔融状态下徐缓冷却，到一般当原铝从熔融状态下徐缓冷却，到达其初晶点时，结晶析出纯度很高的铝达其初晶点时，结晶析出纯度很高的铝粒，然后将此种铝粒跟剩余的铝液分离，粒，然后
26、将此种铝粒跟剩余的铝液分离，便得到所要求的偏析法产物，可从便得到所要求的偏析法产物，可从99.8%99.8%的原铝中提取到纯度为的原铝中提取到纯度为99.95%99.95%的铝的铝,其其提取率为提取率为5 5-10%-10%。法国彼施涅公司的偏析法原理图法国彼施涅公司的偏析法原理图优点：产量大、能耗低、成本低；优点：产量大、能耗低、成本低；缺点：纯度低缺点：纯度低1.4.5 区域熔炼法制取高纯铝区域熔炼法制取高纯铝 基本原理基本原理:在铝的凝固过程中在铝的凝固过程中,杂质在固相中的溶解杂质在固相中的溶解度小于在熔融金属中的溶解度度小于在熔融金属中的溶解度,因此因此,当当金属凝固时金属凝固时,大
27、部分杂质将汇聚在熔区大部分杂质将汇聚在熔区内内.如果逐渐移动熔区如果逐渐移动熔区,则杂质会跟着转则杂质会跟着转移移,最后富集在试样的尾部最后富集在试样的尾部.分离效果取决于元素的分配系数分离效果取决于元素的分配系数(固相浓固相浓度度/液相浓度液相浓度)分配系数分配系数:指杂质元素在固相中和在液指杂质元素在固相中和在液相中的质量分配比率。相中的质量分配比率。分配系数小于分配系数小于1 1的杂质元素在区域熔炼中的杂质元素在区域熔炼中富集在试样的尾部；分配系数大于富集在试样的尾部；分配系数大于1 1的杂的杂质元素在区域熔炼中富集在试样的头部；质元素在区域熔炼中富集在试样的头部；分配系数等于分配系数等
28、于1 1的杂质元素在区域熔炼中的杂质元素在区域熔炼中难以分离。难以分离。铝中铝中1818种杂质元素的分配系数种杂质元素的分配系数 Ni 0.009;Co 0.02;Fe 0.03;Ca 0.08;Ni 0.009;Co 0.02;Fe 0.03;Ca 0.08;SbSb 0.09;0.09;SiSi 0.093;0.093;GeGe 0.13;Cu 0.15;0.13;Cu 0.15;Ag 0.2;Zn 0.4;Mg 0.5;Ag 0.2;Zn 0.4;Mg 0.5;MnMn 0.9;0.9;Sc 1;Cr 2;Mo 2;Sc 1;Cr 2;Mo 2;ZrZr 2.5;V2.7;Ti 8 2.
29、5;V2.7;Ti 8纯度达纯度达99.99995%;99.99995%;金属杂质的质量分数不高金属杂质的质量分数不高于于0.50.51010-6-6课后作业题课后作业题:1 1 现代铝工业有哪些主要生产环节现代铝工业有哪些主要生产环节?辅助环节辅助环节?2 2 画出现代铝工业生产流程简图画出现代铝工业生产流程简图.3 3 制取氧化铝的主要矿物有哪些制取氧化铝的主要矿物有哪些?铝土矿的主要铝土矿的主要类型类型?4 4 中国铝土矿的特点如何中国铝土矿的特点如何?5 5 画出从铝土矿提取铝的简要生产流程图画出从铝土矿提取铝的简要生产流程图.6 6 从铝土矿中提取氧化铝的主要方法从铝土矿中提取氧化铝
30、的主要方法?7 7 拜耳法的原理是什么拜耳法的原理是什么?8 8 拜耳法流程的主要步骤有哪些拜耳法流程的主要步骤有哪些?9 9 苛性比、铝土矿中氧化铝的理论溶出率苛性比、铝土矿中氧化铝的理论溶出率的概念的概念.10 10 拜耳拜耳-烧结联合法的形式？烧结联合法的形式？11 11 目前炼铝用氧化铝的种类？目前炼铝用氧化铝的种类？11 11 铝电解的原理？铝电解的原理？12 12 冰晶石冰晶石-氧化铝熔液的离子结构与电极过氧化铝熔液的离子结构与电极过程如何？程如何？13 13 现代工业铝电解质的分类及其特征？电现代工业铝电解质的分类及其特征？电解质酸度的概念？表示方法？解质酸度的概念？表示方法？1
31、4 14 铝电解质的添加剂有那些？作用是什么？铝电解质的添加剂有那些？作用是什么？15 15 炼铝用的主体设备有那些？炼铝用的主体设备有那些？16 16 预焙槽的特点是什么？现代铝工业用的预焙槽的特点是什么？现代铝工业用的电解槽趋势如何？电解槽趋势如何？17 17 铝电解槽的全部生产过程有哪些阶段？铝电解槽的全部生产过程有哪些阶段？18 18 电流效率的概念？如何提高铝电解电流电流效率的概念？如何提高铝电解电流效率效率？19 19 铝电解中每吨铝所需电能量的计算方法？铝电解中每吨铝所需电能量的计算方法？降低电耗有哪些方法？降低电耗有哪些方法？20 20 按照纯度不同铝分几类？按照纯度不同铝分几类？21 21 三层液电解法制取精铝的原理？三层液三层液电解法制取精铝的原理？三层液中各层的特征？工业用电解质的类型？中各层的特征？工业用电解质的类型？各自组成？各自组成？22 22 区域熔炼法制取高纯铝的原理？区域熔炼法制取高纯铝的原理？23 23 何为分配系数？何为分配系数？
