《铝电解技师培训》PPT课件.ppt

浙江华东铝业股份有限公司 THEJIANG HUADONG ALUMINUM CO.LTD 高级工技师培训 执执 教：周教：周 平平 积极备课 认真听讲 理解札记 保持安静 手机调至静音 严禁教室内抽烟 不许随意走动 课堂要求 铝厂工艺图 华东铝业 铝电铝电 解槽 交流电 整流所 强直流电 氧化铝铝 氟化盐盐 净净化排放 磷生铁铁 阳极组组 铝导铝导 杆阳极碳 中频浇频浇 铸铸 供料、净净化 载载氟铝铝氧 铝铝 锭锭 残极 铝铝 液 烟气 110KV 返碳素厂 炉内处处理 浇浇 铸铸 炉外处处理 配料 炉外处处理 炉内处处理 浇浇 铸铸连铸连连铸连 轧轧 A356 电电工杆 微机 组炉 铝的基本性质 性能数值 原子序数13（第三周期主族元素 ） 原子量26.98 密度 （常温） （700） 2.698g/cm3 2.3g/cm3 熔点660 沸点2060 电阻率（常温）0.0267m 电化当量0.3356g/Ah 铝的基本性质和应用领域 基本特性主要特点和应用 质量轻为铜 、铁密度的1/3，高铁，地铁，汽车桥 梁 强度好、比强度高力学性能不如钢铁 ，但合金的比强度比钢好。 易加工延展性优良，易挤出形状复杂的中空型材和冷热塑性变形 适于各种表面处理染色和涂刷、合金窗 耐腐蚀表面形成致密的氧化膜 耐化学药品硝酸、双氧水、冰醋酸等化学药品部反应。酸和氧化性物质 导热 、导电 性好金、银、铜、铝，为钢铁 的3-4倍，线缆 对光、电、热反射性好高纯度抛光铝反射率为94%，比银高 没有磁性指南针、天线 无毒食品包装，易清洗。医疗器械，食具 吸音性有吸收声波的作用，微机站的吊顶 耐低温低温时，没有脆性，强度大。冷藏室、冷冻库 铝及铝合金分类 铝合金：变形铝合金和铸造铝合金，两者的主要 差别在于铸造铝合金中硅（共晶型元素，使流动 性增强）的含量较高。 铸造铝合金：热处理强化型和非热处理强化型。 牌号：Z+化学元素+数字，如ZAlSi7Mg，代号： ZL101 变形铝合金：不可热处理强化铝合金（纯铝1+ 、Al-Mn3+、Al-Si4+ 、Al-Mg5+共四个系列 ）和可热处理强化铝合金（Al-Cu2+、Al-Mg- Si6+、Al-Zn-Mg-Cu7+、Al-Li8+）。 熔铸的基本知识 物理性质： 铝固态时属面心立方的结晶体。常压下， 晶体结构式稳定的。 晶体缺陷：点缺陷，线缺陷和面缺陷。 点缺陷包含：空位、自填系原子、代位原子 和异类填系原子。 位错是晶体的线缺陷。 堆垛层错、孪晶界及晶粒间界属面缺陷。 熔铸的基本知识 密度 密度小于4.5g/cm3的叫轻金属。 铝的密度受添加元素的影响，主要决定于 加入元素的密度（加入的元素密度小，则 合金的密度小，Mg1.74g/cm3，2.329g/cm3 【先增加后减少硅】）以及铝的晶格常数 的影响。 熔铸的基本知识 熔化温度 铝纯度越高，熔点则越高。铝合金则在一 定范围进行熔化。 合金系统中溶媒元素的原子价越高，原子 价相差较大，则固相线与液相线的坡度越 陡，使得凝固的范围增大。加入4%的Mg， 熔化温度范围是579-641，加入5%的Si， 熔化温度为577-629 ，加入12%的Si，熔 化温度范围为574-584 。 熔铸的基本知识 热容及熔解潜热 热容和熔解潜热是决定金属在熔化时需要 吸收的热量或在凝固时需要散发的热量。 1mol热容称为金属的原子热容，Cn=c*m， 0时，绝大多数金属的热容是24.2- 25.9J/(*mol） 热容越高，流经浇铸系统时，激冷较少， 用较低的浇铸温度也可以使金属完全充满 型腔。 熔铸的基本知识 化学性质： 铝是比较活泼的金属，属两性金属，能跟酸和碱 起反应，在具有氧化性的浓酸中比较稳定。氧化 膜能被碱、盐酸、卤化物及碳酸盐等介质起反应 。氧化膜能吸收水分，所以再加入降温锭（不能 露天堆放）之前应先预热。 铝与耐火材料（主要成分SiO2）接触，生成氧化 铝和硅，因此，新开炉铸损较大，做铝合金的铸 损也较大。 900以上，镁砖与铝或铝合金不反应。 熔铸的基本知识 熔铸过程中，一般使用铁质工具，在精炼过程中 容易造成铝液中的铁含量升高，约为0.01%-0.04% 。 精炼时，采用的精炼剂大都是氟化物和氯化物的 盐类组成。溶剂浓度较高的地方，容易与铝液发 生发应，生成杂质金属和AlCl3，这是一种挥发性 的物质，沸点178-183，若杂质金属影响铝及其 合金的性质，则在选取精炼剂和覆盖剂时，应认 真考虑其成分，还能与这些盐类的酸根反应。 铝杆和A356合金锭的成分不一样，可选择主要成 分是SiCl4作为A356合金的添加剂，FeCl3作为铝杆 的添加剂。 熔铸的基本知识 导电性能 纯铝中添加其他金属元素，均降低导电性能。 铝合金的电阻率随添加元素含量的增加而增加。 增大速度从小到大的常见元素有：Na、Fe、B、 Cu、SiMg Ti、Mn、Li、V。加千分之几的B， 可以与杂质金属反应生成不可熔解的化合物，氧 化铝中含Li量高，也将大大增加电阻率。 若添加的元素能与铝形成金属间的化合物，则电 阻率上升明显。硅过剩，过剩的硅以独立相存在 ，镁过剩，则形成金属间化合物（固溶体）。 A356中，硅（0.6-0.7%）和镁（0.3-0.4%）的总量 不能超过2%，否则将导致电阻率明显上升。 熔铸的基本知识 其他性能 液体金属的热导率小于固体金属的热导率。熔点 处，热导率最小。铝的纯度越小，则热导率越小 。 铝的磁化率随温度的增加而降低，还与纯度有关 。 在所有的金属强化方法中，细化晶粒强化（强冷 和添加微量元素Be）是目前唯一可以做到提高抗 拉强度，又改善塑性和韧性的方法。（实效强化 ：先高温热淬火再进行恒温冷却。、过剩相强化 ：利用过剩相来阻碍基体变形，如硅相） 熔铸的基本知识 工艺性能： 铝与氧的亲和力很大，可用作还原剂。液态铝很 容易与空气中的氧形成致密的氧化膜覆盖于铝液 表面。若这种氧化膜混入到铝液当中，将降低产 品的质量，影响物化性能。 铝液容易吸收H2，是形成针孔的根源。容易与水 反应。温度越低， H2的溶解度越小，所以应控制 精炼温度，也减少添加剂的灼损。 Ti：细化铸造组织和焊缝组织，减少开裂倾向， 若加入一定的B，效果更好。 熔铸的基本知识 铸损 1.烧损。金属的氧化、合金的种类、熔炼温度、保温时间、溶剂 的性质和质量、炉气性质以及熔体表面的覆盖程度等等。添 加镁砖将使得铸损增加。精炼温度高、保温时间长、熔体表 面覆盖不充分，则金属的损耗增加。 机械损失。扒渣，刮渣。 分批熔炼（合金和铝杆）的铸损较大，半分批（连续）熔炼 较小（温度稳定，有利于提高炉子寿命）。 减少烧损的方法： 采用表面积小的熔池；采用合理的加料顺序，易氧化烧损的 后加入；控制好炉温和炉气；控制熔液在混合炉中的时间； 操作应规范。 熔铸的基本知识 铝与铝合金中的气体 熔解的主要气体：氢气，来源于水蒸气。 占85%以上。在熔点温度下，每100g铝熔体 熔解0.7cm3，温度越高，溶解度越大。 在熔点温度下，或在液相线和固相线之间 的范围内突然发生的溶解度变化是铸件出 现针孔度不合格的原因。 水蒸气压力越大，湿度越大，则氢气的溶 解度越大。（铁质工具、金属添加物，以 及精炼剂等必须充分干燥） 熔铸的基本知识 金属的凝固：晶体的生成和长大的过程，相变。 伴随体积的变化、气体的脱溶和元素的偏析。 电磁搅拌，减少有序微区尺寸的左右那个，有利 于得到细密的晶体组织。 连续铸锭的凝固，分两段实现冷却。第一次在铸 锭膜内完成，自然冷却，形成一定厚度的凝固壳 ；第二次为直接水冷，对减少铝锭内部的热应力 作用非常大，（铝锭各处的温度分布梯度大）。 因此，一次冷却与二次冷却之间的时间间隔应尽 可能短，以保证凝固层有足够的强度。 熔铸的基本知识 连续铸锭的凝固：第一次冷却与第二次冷却的等 温线分布都不均匀，则说明了在冷却过程中铝锭 各部分散热的效果不一样，但进入冷却水池被淹 没时，其等温线区域水平。铝水平的高低与表面 质量有关。 铁膜比砂膜的冷却速度强。 连铸铝坯的凝固：铝坯在凝固过程中与结晶器相 对静止，同时又共同运动与连续铸锭有共同特点 。增大断面的周长，则可增加冷却表面积。 哪个方向的冷却强度最高？钢带方面。柱状晶的 宽度比较大。 熔铸的基本知识 影响铸轧热平衡的三个工艺参数：浇铸温 度、铸轧速度、冷却水强度。三个参数应 相匹配。 浇铸温度：铝液出炉温度应考虑：浇铸系 统的长短、气候与室温条件，一般情况下 ，浇铸温度比金属的凝固范围高出40-70 铸轧速度：无档调速。开机时，应采用高 的铸轧速度，以便预热这个铸轧系统。 铝及铝合金熔体的净化 熔体中含气体（氢气，CO2）和非金属夹杂（氧化 铝，氟化盐，碳及碳化物）等，造成铸锭产生疏 松、气孔、夹渣等缺陷，影响物化性能。净化的 目的就是除气和除渣。包括炉内处理和炉外处理 ，炉内处理能力有限，炉外处理越来越被重视。 惰性气体精炼： 惰性气体与熔解氢存在分压差，氢分压远大于惰 性气体分压，则很快进入惰性气体中并扩散，直 到相等为止。气体精炼对除气最有效。 形成许多小气泡，夹杂被吸附到气泡的表面而上 浮至铝液表面。吹入的气体越均匀，气泡越多， 则除渣效果越好。 铝及铝合金熔体的净化 溶剂精炼（喷粉精炼：在惰性气体中打入溶剂） 主要是（K，Ca，Na，Mg）碱金属的氯盐和氟盐 。（单一盐效果较差，因此采用多种盐的混合物 ）。氯化钠与氯化钾对氧化铝有较强的吸附力， 而加入氟化盐可提高溶剂的分离性。加入冰晶石 ，溶剂对氧化物的熔解能力大大加强，增强了溶 剂的精炼能力。溶剂可减少铝液的粘度，有利于 气体的排出。产生的废气是AlCl3。 覆盖剂的作用：防止铝液氧化与吸气，破碎铝液 表面的氧化膜，有利于氢气排出。 铝及铝合金熔体的净化 炉外处理 包括在线除气（两（三）旋转喷嘴通氩气除气装置，西南铝用 ）和熔体过滤。除气与除渣相辅相成，渣越多，则气越多， 两者结合效果更好。 熔体过滤 1.玻璃丝布过滤。由无碱玻璃纤维涂酚醛树脂组成，网眼 1.5*1.5mm，操作简单，过滤效果不稳定，对微小杂质无效。 只能使用一次。 2.泡沫陶瓷过滤板。由氧化铝和氧化铬制成，与在线除气同时使 用则效果更好，（和刚玉陶瓷过滤管，应用于高性能加工铸 件，价格昂贵），效果最好。过滤板较脆，只能使用一次， 一旦温度变化较大，则不能再被使用。 化学成分与物理性能 （纯铝）电工杆 GB/T3954-2001 成分：Si0.11，Fe 0.25，纯度99.6%。Si含量偏高或含渣量 大，则电阻率高。刚启槽与侧部严重破损槽Si含量高。我厂： Si：0.040.06%，Fe/Si=23.5，若其中其他杂质含量高于 0.01%，则加入铝硼稀土合金降低杂质含量。 直径：9.5mm，（同一截面最大值与最小值的偏差）不圆度 0.9mm。 物理性能： A4（RE-A4），抗拉强度95115MPa，延伸率10%，电阻率 28.01nm。 A6（RE-A6），抗拉强度110130MPa，延伸率8%，电阻率 28.01nm。 注：一般情况下，当产品的物理性能合格时，可以不考虑化 学性能，除非需方对化学成分有特殊要求，应在合同中注明 。 化学成分与物理性能 A356（ZLA356)合金：主要用于汽车和摩托车轮毂 。 成分（%）：Si：6.57.5，0.20.45，0.080.2，Fe 0.13 原材料： 1.电解铝液：GB/T1196-2002，其中Fe0.10%； 2.工业硅：主要使用Si-2202 ，Si-3303 ，共5级。 Si-2202 ： Si99.5，Fe 0.2% Si-3303 ：Si99.3，Fe 0.3% 3.镁锭：原生镁锭GB/T3499-2003，杂质总和0.04% ； 4.钛剂：采用海绵钛或Ti75； 成分的调整与配料 成分调整G=W（c-a）/【E（b- c）】 G-需加元素或中间合金的重量（kg） W-铝液总重量（kg） a-铝液中该元素的含量（%） b-物料或中间合金中需加元素纯度（%） c-要求达到的元素含量（%） E-元素实收率（%） 硅：92%；镁：95%；钛：80%；铝：99%。实收率越高，则物 料纯度越高。 温度调整：m固=m液C液（t1-t2）/C固（t溶-t固）+Q潜+C液（t2-t溶） 放热=吸热。 Q潜凝固潜热，392.92J/g， C液铝液热容 1.0768J/（g）， C固固态热容1.0337 J/（g）， 晶粒细化 原理：提高晶核的形成速率。（变质法、加强液体流动、强冷） 1.变质法：促进形核 合金细化剂 如75钛剂（海绵钛难于溶于铝液，回收较困难）Al-B中间合金。 精炼剂（变质剂） 具有精炼、变质、覆盖作用。（可在中间溜槽进行添加）。 2.加强液体流动（电磁搅拌、机械振动、离心浇铸）：加快枝晶 的剥落与繁殖达到细化晶粒的作用。 电磁搅拌 用合金细化剂或精炼剂均为引来外来晶核，可能污染铝液，电磁 搅拌可避免。无电磁搅拌，则晶粒粗大，可应用于作电工杆 。一般在供料嘴处添加。 3.强冷：增加过冷度，提高形核速度。 增加过冷度，晶核的形成和长大速度均增大，但前者大于后者。 结晶 结晶：晶粒的生长与长大的过程 结晶条件； 1.有一定的过冷度（结晶温度与熔点的差值） 2.结晶过程伴随着潜热释放，释放的潜热应 小于冷却散发的热量，才能保持结晶继续 进行，直到完全凝固。较大过冷度则保持 潜热能顺利释放，并有利于晶核的形成。 影响铸锭质量的因素 1.金属与合金的性质 不同的金属有不同的热容、熔解度以及凝固温度，结晶范围越大 ，枝晶的生长方向性越明显，晶核长大速度大 2.外来杂质影响 可做晶核的杂质对结晶影响较大。Ti 3.冷却速度 提高冷却强度，溶质元素来不及扩散，减少区域偏析，过冷度增 加，晶粒细小致密。提高冷却强度，（抗拉、延伸等）力学 性能增强，抗拉强度增大，脆性也增大，适合做抗拉要求高 的A6杆。提高冷却强度，铸锭内外温差大，容易脆裂，延伸 率下降，若水冷不均，容易产生热裂纹。冷却水量：冷却水 流量与流速是通过调节冷却水压实现的。要求：水质较好、 水温不波动、流量稳定，防止结晶器结垢。 4.铸造温度：铸造温度低，可获得细小的晶粒。 5.铸造速度：较低易获得细密的结晶组织。 质量缺陷 缺陷：裂纹、气孔、缩孔与疏松、偏析（成分不同）、夹渣 铝锭 1.化学成分。2.表面质量（无夹渣，飞边，缩孔） 合金锭 1.中心裂纹。冷、热裂纹。控制浇铸速度和浇铸温度 2.气孔。静止时间短，除气精炼不到位。 3.缩孔和疏松。静止时间长，浇铸温度低等 4.夹渣。精炼不到位，结晶器铝液不平稳。 电工杆 1.气孔。精炼温度高，钢带润滑油太少。 2.夹渣。精炼不到位，精炼温度高，氧化膜被卷进结晶腔。 铝电解用原料和辅助原料 氧化铝 白色粉末，熔点2050，沸点3000 ，真密度3.6，体积密度1g/cm3 化学纯度。正电位杂质氧化硅和氧化铁等，电解析 出后进入铝液，降低了原铝的品味。电位负于铝的氧 化物氧化钠、氧化钙和氧化锂等会分解冰晶石，增加 氟化盐的消耗。水分，增加氟化盐的消耗，产生氟化 氢气体。b-氧化铝稳定性不好。 物理性能。吸水性小、粒度适合，能快速溶解，加 料飞扬少，能形成严密的结壳，比表面积大。 物性分类： 砂状、粉状、中间状 辅助原料 氟化盐 1.冰晶石。天然与人造（正冰晶石和亚冰晶石的混合 物）两种，工业用冰晶石分子比2.1，酸性，白色 粉末，微溶于水。熔点1008。 2.氟化铝。白色粉末，真密度2.8833.13g/cm3，升华 温度1272。与水蒸气反应生成氧化铝和氟化氢 。以NaAlF4的形态挥发。有干法与湿法两种生产 工艺，其中湿法氟化铝粒度较细，飞扬损失大， 干法的主要流程是氟化钙与硫酸反应生成HF 主要作用：降低分子比和初晶温度 辅助原料 3.氟化钙。萤石，密度3.18，熔点1403 ，沸 点2500 。 作用：降低初晶温度，增大熔液界面张力， 减少熔液蒸汽压，有利于形成坚硬的炉帮 4.氟化镁。熔点1248 ，沸点2260 。 作用：降低初晶温度、改善电解质性质，降 低碳渣的湿润性。 辅助原料 5.氟化钠（碳酸钠） 纯碱、苏打，熔点851，提高分子比。为 什么采用碳酸钠？ 6.氟化锂 主要降低初晶温度。还降低氧化铝的溶解 度，浓度较高，不利于电解槽的管理，析 出的金属铝降低了产品的电导率，如降低 铝箔的压延性能。 碳阳极：耐高温(热稳定性），电导率，纯度 ，机械强度（真密度） 电解质的物理化学性质 铝电解质的要求： 1.电解质化学物不含比Al电位更正的元素。 2.在熔融状态下，能保持氧化铝有较大的溶解度。 3.熔点要比铝高，保持电解质为液态。 4.有良好的导电性。 5.比铝的密度小，密度差越大越好。 6.粘度小，利于流动和气体排出，挥发性小等。 冰晶石等氟化盐基本符合，但不是最理想的物质。 电解质的物理化学性质 分子比：氟化钠与氟化铝的摩尔比。 初晶温度：熔盐开始析出晶体时的温度， 又称为熔度，单一物质叫熔点。 过热度：电解温度与初晶温度的差值。8- 12，控制炉帮和炉底结壳的生成。 电解质的初晶温度与电解质成分有关，氟 化物和氧化铝浓度越高则初晶温度越低。 下料-电解-下料，其初晶温度也是降低-升 高-降低。（相平衡图略） 电解质的物理化学性质 化学方法物理方法 热滴定法观察法 1.熔融电解质 2.固态电解质 pH值指示剂法 电导法 氟离子选择电 极法晶相分析用偏光显 微镜 全部元素法荧光法 分子比的测量方法 电解质的物理化学性质 荧光分析：比较简便，但不能分析氟化镁和氟化 锂的 偏光显微镜分析：受亚冰晶石相干扰被淘汰 氟离子选择电极法：与电导法前部分相似，添加 过量氟化铝与溶液中的氟化钠反应生产冰晶石， 然后用电极测量残余的氟化钠。 热滴定和全部元素分析法最精确。但分析时间长 ，过程复杂。 电导法：加过量的氟化铝，然后加入醋酸，用交 流电桥比对测试。 电解质的物理化学性质 调整电解质的酸碱度 降低分子比：QAlF3=2P(K1-K2)/K2(2+K1) 添加氟化盐，均衡稳定，则分子比稳定，在酸性电解质体系中 ，液态电解质凝固由偏析造成，其结壳的分子比较液体高。 提高分子比：QNaF=P(K2-K1)/(2+K1)（开槽）（添加氟化钠） QNaCO3=53P(K2-K1)/14(2+K1)(3+K2) (加碳酸钠） 其中P为冰晶石的质量，K1为调整前的摩尔比，K2为调整后的摩 尔比。分子比为质量比的2倍。（Al：27，钠：23，氟：19，C： 12，O：16）。添加碳酸钠提高分子比利用下反应式计算消耗， 利用分子比的定义求解！ 3Na2CO3+2AlF3=Al2O3+6NaF+3CO2 若电解一车间某台槽的电解质量为10t，其中含有氟化钙为4.5% ，氟化镁为2.5%，氟化锂1%，氧化铝为3%，分子比为2.5，若要 求30天后分子比平稳调整到2.3，已知每天产率量为1.5吨，吨铝 氟化铝消耗为16Kg，求所需的氟化铝的量是多少？ 注意：每天添加的氟化铝不超过40Kg，不少于10Kg。 电解质的物理化学性质 低摩尔比生产：分子比控制在2-2.3之间，软硬件 设备许可的情况下，可采用。要求对氧化铝进行 窄幅控制。 电导率：电解质压降占槽电压的34%-40%。电解 质中影响电导的物质，氟化锂增加电导，氟化钾 、氟化钙、氟化镁、氟化铝、氧化铝、碳渣逐步 增加电阻率。 电解质密度：在960电解时，密度为2.1g/cm3， 电解温度升高，铝液与电解质密度均变小，密度 差越小。密度从大到小依次是氟化镁、氟化钙、 氟化钠、氟化锂、氟化铝、氧化铝。 电解质的物理化学性质 粘度：氧化铝，分子比，槽温等因素影响 离子的迁移：Na+是电荷的主要迁移者，中性和碱 性迁移数接近1。电解质中存在的主要离子： 阴极：Na+等金属离子、F-随反应增多 阳极：Al-O-F络和离子，而AlF4-、AlF6-随反应减 少 低温电解质：初晶温度900左右，国内目前通过 使用含量较高的LiF（分子比较高），熔度在900- 920 之间，但增加锂盐后，氧化铝的溶解度降 低，过热度增大。 氧化铝的熔解及其行为 加入电解质的氧化铝去向：熔解，形成炉帮和槽 上部结壳，形成沉淀。 氢氧化钠在900左右煅烧，主要是-氧化铝，在 1300 煅烧为-氧化铝， -氧化铝（粉状）比- 氧化铝密度大，沉降速度快，容易形成沉淀（熔 解速度 ）。 影响氧化铝熔解速率的因素： 1.氧化铝的相态；2.添加剂增加，则降低；3.温度升 高，则增加；4.过热度增加，则增加；5.氧化铝灼 减提高，则增加。 氧化铝的预热可提高熔解速度，因此应保持下料孔 通畅。 氧化铝的熔解及其行为 槽上部结壳：氧化铝被熔融的电解质所浸 润渗透并凝固而成，因此过热度小，容易 结壳。 -氧化铝转化为-氧化铝的过程形 成网状结构。结壳层，氧化铝占40%，其余 为电解质。实践证明：用粉碎的电解质参 杂做保温料，更容易结壳。 炉帮：电解质凝固而成，靠近碳素内衬氧 化铝含量高。 铝电解的电极过程 氧化铝的分解电压最小，为2.12V，与其他氟化物 相比，其电负性最正。 在一般情况下，钠与铝的电位差为250mv，相差 不大，当条件发生变化时，钠就会析出。（现象 ：燃烧火焰呈黄色） 析出条件： 1.温度升高 2.分子比增大 3.氧化铝浓度小 4.阴极电流密度增大 5.局部过冷，阴极钠离子迁移受阻 铝电解的电极过程 析出钠的去向： 1.成为蒸气被燃烧 2.进入电解质 3.进入阴极铝液 而铝液中钠离子的主要去向则是向碳素内衬 渗透，引起阴极层状剥离膨胀和开裂，在 有沉淀的情况下，则会加剧炭块膨胀。 阳极效应 效应机理：当氧化铝浓度降低时（0.5%），电解 质同炭阳极湿润性变差，阳极气泡逐渐增多形成 气体膜，阻碍了电流的通过，阳极有效面积下降 ，电流密度增大，超过了临界电流密度，则发生 效应，电流密度增大，阳极电位也增大，达到氟 离子的放电电位，则生成F-C化合物，它们的存在 也会进一步降低阳极与电解质的湿润性。 工业上有4种原因：1.氧化铝浓度低（或局部过低 ），2.槽子走冷行程（湿润性变差，高电压效应 ）3.电解质含较多的悬浮氧化铝（难灭效应，自预 槽或添加脏料），4.电解质含碳，5.抬升阳极不当 ，部分阳极脱落电解质，电流密度达到临界值。 铝的溶解于二次氧化损失 铝溶解的影响因素 1.槽温。温度增加，熔解损失增大。 2.分子比。分子比越小，则氟化铝含量越高 ，即铝离子含量高，铝的熔解损失减少。 3.添加剂。增加一定的添加剂如氟化镁和氟化 钙含量，可减少熔解。 二次氧化：主要途径是二氧化碳与溶解的 铝反应。步骤：界面溶解扩散被阳极 气体氧化。溶解为速率控制步骤。 筑炉技术 电解槽的结构：阴极结构，上部结构，母线结构以及电气绝 缘结构。 筑炉工艺 1.清理与放线。根据施工图纸进行基准放线 2.铺石棉板。10mm石棉板，接缝小于2mm，缝用氧化铝填充。 3.铺绝热板（硅酸钙板）。接缝小于2mm，缝用氧化铝填充。 65cm 4.砌筑保温砖。砌两层，上下两层，错缝砌筑，缝用氧化铝填充 。 5.铺干式防渗料。用平板振动机夯实，夯实后密度大于1.6g/cm3 。侧部铺设石棉板和硅酸钙板至钢窗。 6.铺阴极炭块。阴极与钢棒组装方式：碳糊扎固，磷生铁浇铸（ 阴极寿命短，工艺繁琐，成品率低），碳粘结剂粘结。由中 间向两端，不可撬动钢棒。用碳酸钠水玻璃石棉腻子密封钢 棒口。 筑炉技术 阴极炭块组组装 6.1检验。检验炭块和阴极钢棒，即炭块表面质量和 电阻，钢棒的弯曲度（4）并砂洗成金属光泽。 6.2清扫。用压缩空气将炭块燕尾槽吹净，用钢丝刷 对炭块表面进行打磨，再清扫干净 6.3放阴极钢棒。要求钢棒中心线与炭块中心线吻合 （误差0.1%） 6.4捣固。加糊刮平，共分6层捣固，捣固压缩比1.6 ：1。炭块与钢棒相平，平行度公差3mm，组装 后导电不大于350mv（2KA） 筑炉技术 石墨化阴极，无定形碳，无定形碳+无烟煤 经高温=半石墨质（常见30%石墨质），（ 半）石墨化+ TiB2涂层。 石墨化阴极抗钠侵蚀性好，膨胀系数小， 电阻小，但不耐磨。 TiB2涂层，增加铝液与阴极炭块的湿润性， 便降低了沉淀于阴极的湿润性。但价格昂 贵，容易被操作工具刮破，实践效果不好 。 筑炉技术侧部的砌筑 1.铺石棉板与硅酸钙板，缝用氧化铝填充。（此两层铺在长侧斜 板） 2.密封阴极钢棒窗口。用水玻璃石棉腻子密封。 3.在钢棒间湿砌两到三层耐火砖。 4.捣打浇注料，两层浇铸。（用搅拌机搅拌耐火混凝土，由轻质 黏土砖和高铝水泥组成），搅拌好的浇注料多点倒入槽内， 用插入式振动器搅拌，缓慢均匀搅拌，再进行第二次振动浇 铸，搅拌器不能插入已初凝的第一层，浇铸完后，常温养护 24h。 5.砌筑耐火砖。浇注体养护结束后，用耐火泥湿砌两层高铝转（ 或隔热耐火砖） 6.砌筑侧部炭块。干砌（碳化硅砖用湿砌），缝小于0.5mm，用 塞尺检查。若需加条，则在角部的两侧进行。缝用氧化铝填 实。 筑炉技术阴极糊的扎固 阴极糊，主要成分为无烟煤，其次煤沥青和煤焦油（软化点 在7080 ，因此进行热扎时，温度应高于软化点，我厂控制 在110 左右。 1.钢棒糊：2mm以下。 2.立缝糊：4.5mm以下。 3.周围糊：12.5mm以下。 步骤： 1.加热槽体。吹风清扫后，用专门的电加热器加热阴极炭块，缓 慢加热，历时10-12h，110 左右。侧部用喷灯加热，持续半 小时左右，加热至110左右。炭块温度过低，容易造成阴极 糊与炭块粘结不牢，而形成热裂纹。 2.扎固。立缝涂抹稀沥青，进行7-8次扎固，1.6：1，碳帽5*40； 周围缝分两次扎固，在烟道与出铝中心线位置对接，为使两 层衔接牢固，用爪型捣锤将表面打成麻面。 一.电解槽的焙烧启动 焙烧概述 焙烧工艺要求 铝电解全部生产过程分焙烧阶段、启动阶段 （含启动后期管理）和正常生产三个阶段。焙烧 阶段一般为36天，焙烧的好坏直接影响电解槽 的寿命。 均匀缓慢升温，减少热裂，加热阴极内衬， 阳极与装炉材料，以利于下一步启动。 焙烧目的 排除水分， 加热槽体， 焦化糊料。 熔化高分子 比电解质， 填塞热裂纹 。 加热阳极和 装炉材料， 槽温达正常 温度，熔化 部分物料。 满足电解槽 碳素材料对 碱性物质的 吸收。 焙烧方法 石墨粉焙烧 铝液焙烧燃气焙烧 石墨粉石墨粉焦粒焦粒 配比焙烧配比焙烧 焦粒焙烧 燃气燃气铝液铝液 两段焙烧两段焙烧 焙烧方法比较 焦粒焙烧：用煅后石油焦作电阻体，焙烧结束后 阴极表面温度达到正常生产温度。 石墨粉焙烧： 与焦粒焙烧类似，采用不同配比的石墨作发热体 ，工艺要求比焦粒焙烧更加严格。导电性好，不 用分流片，采用全电流焙烧。焙烧升温能力有限 （800度左右），只能使用效应启动 燃气焙烧（燃料焙烧）： 需要可燃物质和燃烧装置。要点：加强保温。操 作复杂、对设备要求高。 铝液焙烧：直接灌入铝液，操作简单。阴极炭块 和内衬热冲击大，易出现早期破损。 焦粒焙烧优缺点 缺点 shortcoming 优点 excellence 升温均匀，升温速度可控 填充物为高分子比电解质，可 预防早期破损 操作过程劳动强度大 启动后碳渣较多 电流分布不均，局部过热 槽四周焙烧不良 启动 启动条件：温度达到950度以上，电解质水 平5-10cm。 干法启动 利用电弧高温将固体冰晶石等装炉物料熔 化成液态电解质。刚开始启动时，电压不 宜抬得过快，灌入铝液，则启动结束，可 利用该时段测量电解槽温度的分布情况。 湿法启动 灌入分子比高的电解质进行启动。 非正产期管理 分启动初期管理和启动后期管理。以第一次出铝 为分界线。 启动初期（1-2天）： 一般点动后24h灌铝，以保证温度足够熔化物料和 焦化碳素内衬。 电解质管理：分子比2.8以上，水平30cm以上，此 阶段可投入纯碱和萤石。 下料管理：效率较低，效应较高没。1.5倍左右正 常NB。 槽电压管理：从57V，每隔半小时缓慢下调电压 。 槽温管理：970度以上。 碳渣管理：加强碳渣的打捞。 非正产期管理 启动后期管理（13个月） 技术条件发生较大的变化，电解槽运行发生质的 变化。结束的标志：技术条件达到正常的控制范 围和形成规整坚固的炉帮。 特点： 初期：需热过程（电解质水平高，效应系数大）， 碳素内衬材料需吸收大量的NaF，添加一定量的纯 碱。 中期：内衬温度均达到要求，但未形成规整炉膛 ，加高分子比电解质。 后期：已建立热平衡，并形成了规整的炉膛，需添 加AlF3,使得其他参数趋于正常。 非正产期管理 电解质管理：1个月由30cm以上降至24cm，第二个月保持正 常22cm。依靠控制槽电压和电解质的添加量。 电解质成分管理：第1个月保持分子比在2.8左右，第二个月末 达到正常水平。氟化镁3%，氟化钙5%，不足则进行相应的添 加。（装槽时添加易形成沉淀） 铝水平管理：灌铝后16-17cm，铝水平不足15cm，则推迟出铝 。炉帮逐渐形成，铝水平上升，第2个月，铝水平达到正常值 ，保持高水平电解，则3个月。 电压管理：槽电压的高低与分子比的低高相适应，在电压低 ，分子比较高的情况下，可以实现低极距生产。若采用高的 槽电压，则可以保持较低的效应系数，若采用低槽电压，高 分子比，则应适当提高效应系数。一周至1个月不等。 效应系数管理：虽然槽电压高，但炉底易出现过冷现象而形 成结壳。从0.5下降至0.3，第2个月末达到正常。 非正产期管理 槽膛内形的建立： 1.冷槽。伸腿肥而长，炉底冷易生沉淀，电解 质温度低而发粘，碳渣难分离，电解质收 缩，保温料结壳厚而硬，氧化铝熔解能力 差，炉膛不规整，常出现电压异常。 2.热槽。槽温升高，碳渣和电解质分离不好 ，保温结壳薄，易塌壳冒火，阳极效应滞 后。 3.正常槽：炉帮伸腿均匀，铝液镜面在阳极的 投影区内，电流分布均匀。 非正产期管理 注意： 1.启动第一个月采用高分子比的电解质成分。低分子 比形成的炉帮稳定性差。 2.控制好电解温度的下降速度。温度下降过快，有利 于结晶，但容易出现结晶缺陷，稳定性差，形成 畸形炉膛。 3.采用人工放效应可减少炉膛畸形，对阳极安装精度 引起的电压波动无效果。 4.利用换极时对炉膛进行检查，一旦形成畸形炉膛 ，将长远影响电解槽正常期的生产。 5.非正常期形成的炉帮，不宜进行边加，虽然容易规 整，但边加形成的炉帮稳定性差。 焦粒焙烧 验收准备 连软连接 铺焦挂极 进入焙烧 装槽 联系送电 降负荷 焊分流片 装绝缘板 全负荷 焦粒焙烧工艺流程图 焦粒焙烧验收准备 验收 阳极升降机构验收上部结构验收 其他验收 打壳下料系统验收 槽控机验收 电气绝缘验收 焦粒焙烧铺焦挂极 在阴极炭块上铺设一层15mm煅后焦粒，用水 平木尺（两端角高度为1025mm）刮平，焦粒铺 设厚度为1025mm。粒度小，电阻率高，不便于 清除，粒度大，则接触不良。 阳极母线降至下限，安装阳极（无裂纹、平整、 导杆垂直，打磨光滑），使得阳极质量全部压在 焦粒上，并保证接触良好，夹具夹而不紧。可采 用加长炭块，提高中缝的焙烧效果。挂好极后， 用废旧编织袋堵塞间缝。 焦粒焙烧装槽 高分子比启动低分子比启动 装槽物料装槽物料 （冰晶石），电解质粉 与电解质块，分子比保持 2.8以上。 二次启动常用。 l电电解质质：熔点960 左右 l冰晶石：熔点1009 l碳酸钠钠：熔点851 l氟化钙：熔点1403 焦粒焙烧连软连接 连接阳极母线大梁与阳极导杆。目的：连接大母线与阳极导 杆，便于使阳极炭块组的质量完全落在焦粒之上。（见下图）， 若不采用软连接，取而代之的是采用“夹紧松开夹紧”技 术，因炭块的膨胀不同，每隔12小时操作一次，具体依电流分 布而定。 方法一 方法二 焦粒焙烧装分流片 除首台启动槽之外，采用全电流焙烧时，需安装分流片， 使电流逐步增加。一端焊接阳极钢爪，一端焊接阴极方钢。 分流率与阳极电流密度成反比，即阳极电流密度越小，则 分流率越高，分流片的温度也越高（该处冰晶石熔化的速度快 ），在拆分流片时，应先拆温度低的分流片。 焦粒焙烧 实践证明 焙烧时间的长短取决于焦粒加热体 的厚度。焙烧时间越长，必须使槽电压 保持在2V以上，减少电解质的冷凝，方 可确保焙烧槽平稳启动。 焙烧时间确定（启动条件）焙烧时间确定（启动条件） 1.焙烧槽温达到950 2.中缝电解质水平达到 30cm左右，人造伸腿 处也有一定的液体电 解质。 焦粒焙烧中常见的问题 根本原因是：电流分布不均匀，电流分布均匀与 否直接关系到电解槽的焙烧质量。 电流分布不均匀原因调整电流分布的方法 1.焦粒与炭块接触不均匀。 2.铝导杆与大母线接触不均匀。 3.阳极组本身电阻差异。 4.分流器拆除不合理。 5.调整工作不及时。 1.松紧卡具。 2.振打导杆。 3.电流分布过大，可分隔导杆与母线 4.大面积分布不均，则重新紧固所有卡 具。 5.个别极偏流，用铁质工具进行极间连 接。 焦粒焙烧异常情况处理 阳极氧化阳极脱落阳极钢爪发红 用冰晶石覆盖。 取出钢爪和 导杆，启动后 再进行更换。 扒开保温层 ，松卡具和软连 接，吹风冷却。 阴极钢棒发红 漏电解质 强制风冷， 在加工面添加冰 晶石，松阳极卡 具。 燃气铝液两段焙烧 验收准备 装分流片 挂极 拆移加热装置 灌铝 安装绝缘板 燃气焙烧 安装调试加热装置 装槽 降负荷 加电解质保温 全负荷 工艺流程图（不停电开槽） 燃气铝液两段焙烧 图一 燃气焙烧 图二 燃烧加热装置 燃气铝液两段焙烧 燃气焙烧要点： 燃烧终点温度（内衬表面温度）在750左 右，温度过高易出现表面氧化。 燃气焙烧时间一般为一天，为减少天然气 的使用量，在燃气加热前应加强槽体的保 温。 点火前应对设备管道进行密封性检查。在 点火时，要调整好燃气与空气的比例，保 证燃气充分燃烧，空气无过剩。 燃气铝液两段焙烧 铝液焙烧要点： 铝液焙烧时间一般为2-3天，焙烧结束时温 度达到正常生产时的温度即950以上，中 缝电解质水平达到5-10cm。 铝液焙烧其电流分布较焦粒焙烧均匀。 铝液进入碳素内衬裂缝和伸缩缝中，将对 电解槽的寿命产生不利影响。 电解槽启动后期管理 后期管理历时1-2个月，具体可依据加工 距离的大小和散热口温度的分布梯度及稳 定性而定。 目的： 逐步建立稳定的物料平衡、热平衡和电压 平衡； 形成规整的炉膛。 特点： 参数变化大，高分子比，高效应系数，高槽 电压，高槽温 铝电解的主要生产操作 主要操作：换极、抬母线、熄效应以及出铝，辅 助操作：两水平测量，加料取电解质。 1.换极 阳极更换顺序的原则：1.相邻极错开更换。2.A、B面 交替更换。3.分（8）区交叉进行。以确保质量与 电流分布均匀。 阳极消耗速度： hc=0.3356*24*a阳*Wc*/ d假 （Wc为碳阳极净耗， d假 为体积密度， a阳阳极电流密度） hc=每天阳极的消耗量/体积密度*阳极断面面积 换极周期： =（H-HL）/hc 铝电解的主要生产操作 换极步骤 确认槽号、极号准备工器具与物料联机卡残极标残 极高度开槽盖扒料提（检查）残极兜尺画线铲边 镦边“三摸一扒” 新极安装收边整形清扫卫生盖 槽盖记录填写 注意： 新极比残极提高1-2天的使用量，1.5-3cm，角极取上限。新极 上槽后，在其下表面形成一层冷凝的电解质层，16h达到70% ，24h达到正常，角部时间延长1倍左右。 16h阳极电流分布过大（1.0-1.8mv为宜），调整幅度一般在2 -4cm。 质量控制点：联机（合理控制附加电压时间），捞块，安装精度 。 铝电解的主要生产操作 2.出铝：质量控制点是析出精度（-20+50Kg）和防止析出电解 质（小于5Kg）。 3.熄效应： 升降阳极熄灭效应，成功率不高。大型槽采用插木棒的方法，其 实质是木棒在高温电解质中剧烈燃烧产生大量的气泡，赶走 了阳极底掌的滞留气体层，使阳极重新恢复正常工作，熄灭 的前提是氧化铝浓度应达到正常范围。 质量控制点：效应时间，一般控制在3min以内，力争控制在2min 以内，甚至更低，过长的阳极效应可能烧坏炉帮，降低电效 和浪费电力。效应电压一般为2030V，高则为冷槽效应，低 则视为热槽效应，电压不稳定视为炉膛畸形，效应熄灭后应 及时捞取碳渣。 4.抬母线：阳极不断消耗，母线不断下移，但母线下降位置有限 铝电解的主要生产操作 抬母线周期 T=h有效/hc 总行程400mm，回转计一个读数为1mm，上下安全 行程的距离称为有效行程，当回转计或指针在下 限位以下，则需抬母线。 质量控制点：旋紧阳极卡具 步骤： 确认槽号检查行车挂（检查）框架吊框架至 作业槽联机放框架夹紧阳极松卡具抬 母线紧卡具框架松开阳极提框架画线 框架归位记录 常规测量 标准方差： S= S越大，数值越分散。 1.两水平测量（对热平衡影响很大） 一点测量，多点侧量（槽越大，取点越多），一点 测量在出铝口或换极点。测量前先打捞碳渣和氧化 铝。静置时间大于5s。 2.槽温测量（影响电流效率） 槽温一天的变化较大，可采取每班测量一次。要求 在固定点进行测量，注意，若测量点为新极，调整 氟化盐时需注意。停电，效应等情况终止测量 常规测量 3.阳极电流分布（等距压降）测量 电压波动，新极16小时，焙烧启动时进行阳极电 流分布测量。 发生效应、降电流、出铝、抬母线等操作则停止 测量。 测量工具：测量叉与万用表（指针毫伏表） 4.保温料厚度测量 目测法（在钢爪高度方向进行等距划分），每个 钢爪目测一次。 钢爪的高度，横梁下沿高度19-21cm；上沿高度33 -35cm。 常规测量 5.残极测量 当阳极质量（含成分，形状的变化）或使 用效果出现波动，则进行残极的测量。 测量范围：长、宽、高、钢梁至残极表面 的距离（反应阳极表面的抗氧化能力）。 测量长和宽用直角尺进行测量，测量高度 用水平仪和直角尺以及米尺，测量钢梁至 阳极表面的距离用米尺。 常规测量 6.极距测量 当需要获取资料全面分析和优化槽设计，则需要 测量该数据。 测量工具：漏勺，测量钎（T，梯子型），水平仪 ，钢尺。 测量前，用行车开孔20cm左右，有漏勺将洞中的 氧化铝和碳渣打捞干净。（测量如图示），持续 时间在5s以上。 7.侧部炉帮形状测量（P164） 一般不测量，当需要全面分析和工艺技术条件时 测量，侧壁由a-氧化铝和冰晶石组成，是电和热 的不良的导体，另外可将铝液挤到槽中央，有利 于提高电流效率。因为有炉帮的存在，才会有电 解槽的自我调节能力。 常规测量 炉帮厚度指，侧部最最薄处的炉帮的厚度，一般在铝液与电 解质界面处。 炉帮的厚度=测定钎的读数（含侧碳与槽壁 炉帮高度=刻度尺读数+炉膛深度-测量钎高度 伸腿长度：伸腿进入阳极投影区之下的部分的长度。伸腿抬 平坦或太长，可能产生水平电流（垂直磁场） 伸腿高度：伸腿进入阳极投影区之下的部分的高度。 8.炉底隆起的测量 测量大面的中部，多点测量，误差超过3cm应重新测量。 炉底隆起=引进面基准高度+测量高度读数-测量钎的高度（或 者隆起测量高度与基准面测量高度之差） 常规测量 9.炉底压降的测量 测量数越多，越接近槽真实压降，槽四角的炉底 压降较大。毫伏表应平放在屏磁盒中。 负极接爆炸块，正极接触炉底。 10.阴极电流分布的测量 工具：毫伏表（毫伏表应平放在屏磁盒中），测 量钎和导线。 正极接爆炸块，负极接阴极软带（要求各测量距 离均相等。 常规测量 11.阴极钢棒、槽底钢板、散热孔温度（可实现在线 测量）的测量 测温仪至测量位置和角度恒定，50cm以内。 12.槽壳变形测量。 工具：细线与直尺。标记基准点（便于下次测量） ，每米测量一个数据。 12.初晶温度与过热度的测量（利用初晶温度分析仪 或人工测量） 13.电流效率的测量（测量CO2与CO的比值，采用电 流效率分析仪进行测量） 电解槽正常期管理 现代管理方法 包括：技术基准的管理、电解质组成管理、系列电流管理、槽电 压管理、加料管理，两水平管理、原铝管理、效应管理、异 常管理等等。 车间管理应遵循的原则： 1.标准化 要树立遵循标准的思想。对此，管理人员应不断学习工业生产的 普遍规律和铝电解的特殊规律，掌握各种标准，不折不扣的 执行。（南平铝业） 包括，技术管理标准，操作管理标准，设备与工器具管理，产品 质量管理标准，全面质量管理标准以及工资奖金分配标准等 等。对提高工作效率和员工积极性具有深远的影响。注意： 标准不是一成不变的，如宪法一样均要适应当前的实际情况 。必要时应进行修改完善。 电解槽正常期管理 2.同步化 电解车间每天进行的作业都有固定的时间 和程序（类似学校的作息时间表）。电解 车间的作业时间标准，相互联系，相互影 响，甚至相互制约，因此应在规定的时间 完成规定的工作。 3.均衡化 物料均衡，即投入与产出的均衡。也是电 解槽稳定的客观表现。 电解槽正常期管理 保持平稳与调节的连续性 技术条件尽量保持平稳，每次变动幅度应尽可能小，尽量减少操作、原 料、设备对电解槽的影响。如出铝的平稳，建立“疗程思想” 技术条件是根本，操作质量是基础 技术条件的好坏对生产平稳，以及操作等有着决定性的影响，因此要求 管理人员的责任心要比操作人员要更强。 依靠控制系统，减少人工干预 重视设备管理 重视全面质量管理（人、机、料、法、环、测） 重视数据分析 预防为主，处理为辅 先天管理，仿生管理 减少变量（调整参数尽可能调节1个或两个） 电解槽正常期管理 电流强度管理 电流的最大值主要看阳极的承受能力。国内电解槽电流密度设计 值一般在0.70.8A/cm2。国际上阳极电流密度达到了0.99A/cm2，国 内目前最高0.83A/cm2。 电流强度不是一成不变的，应根据电力供应情况进行调整。 强化电流技术1.增加阳极尺寸，采用偏心阳极。2.阳极开槽。3. 适当提高铝水平。4.降低槽电压，200KA提高到205KA可降低槽电压 0.1V，240KA提高到245KA可降低槽电压80mV。5.适当减薄保温料厚 度（防止阳极氧化为前提）和调整烟气流量。6.适当降低分子比。7. 提高阳极质量。8.调整NB间隔。9.加强日常管理（换极周期，抬母 线周期，碳渣打捞和日常巡查）10.新型阴极结构、导流槽技术。 五低三窄一高新工艺技术，低温、低过热度、低