铝电解基础知识培训课件.ppt

2020 1 30 1 铝电解基础知识培训 青海西部矿业百河铝业有限责任公司 2020 1 30 2 铝的性质及用途 铝在自然界中分布极广 地壳中铝的含量约为8 仅次于氧和硅 居于第三位 但在各种金属元素当中 铝居于首位 铝的化学性质十分活泼 故自然界中极少发现元素状态的铝 含铝的矿物有250多种 其中主要的是铝土矿 高岭石 明矾石 铝是一种银白色的金属 铝的原子序数为13 原子量为26 98154 外层电子排列形式为3S23P1化合价通常为三价 但有时也呈一价 二价 铝质很轻 并兼具其它优良性质 在工业上被誉为万能的金属 2020 1 30 3 铝的性质 2020 1 30 4 铝的性质及用途 铝是一种氧化倾向极为强烈的金属 所以自然界中很少有以游离状态出现的铝 铝与空气中的氧结合生成一层致密牢固的氧化铝薄膜 覆盖在铝的表面上 这一层氧化铝薄膜阻止了铝的进一步氧化 提高了铝的抗腐蚀能力 铝是当今电力 冶金 轻工 化工 航空航天 机械 建筑 食品 工艺装饰等行业不可缺少的重要材料 同时 随着铝质材料性能的不断开发 其运用空间还在不断拓展 2020 1 30 5 原铝需求量增长迅猛 图1 1全世界原铝年产量增长曲线 2020 1 30 6 铝冶金的发展史 金属铝最早是用化学法制取的 1825年丹麦奥斯特用钾汞齐还原无水氯化铝 得到银色粉末 1854年德国维勒用氯化铝气体通过熔融钾的表面 得到了金属铝珠 1854年法国德维斯用钠代替钾还原NaCl AlCl3络合盐 制取金属铝 电解法炼铝起源于1854年 当时德国本生和法国德维斯分别通过电解氯化铝 氯化钠络盐 得到金属铝 但在那时所用的是蓄电池 故无法扩大试验 直至1867年发明了发电机 并在1880年加以改进后 才使电解法可以用于生产 2020 1 30 7 铝冶金的发展史 1886年美国霍尔和法国的埃鲁 通过实验不约而同地申请了冰晶石 氧化铝融盐电解法炼铝的专利 得到批准 这就是通常所说的霍尔 埃鲁法 也是一百多年来工业炼铝的唯一方法 与化学法相比 电解法成本比较低 且产品质量好 故被各国相继采用 并沿用至今 2020 1 30 8 霍尔 埃鲁法现代工业铝电解槽 铝导杆 槽壳 立柱母线 衔架 小合卡具 阳极 打壳机构 排烟管 提升机构 槽眉板 短路口 极上覆盖料 2020 1 30 9 电解质的化学性质 从传统电解质转变成改良电解质和低分子比电解质 已证实显著提高电流效率 提高了生产能力 添加氧化铝的技术 改进的电解槽引进了点式下料和控制技术 计算机已被广泛的运用在铝电解生产控制中 电解槽的各项生产操作 例如氧化铝添加 更换预焙阳极和出铝等 都实现了高度的自动化和机械化 改进了烟气排放控制 现代铝工业中的环境保护已经有了很大改进 由于改进了阳极和阴极的质量 现在阳极净耗量大约在400kg t Al左右 部份电解槽的寿命达到3000天以上 对电解槽磁场实现模拟计算和改进 使得铝电解槽的磁场有了更好的平衡 这是建造大容量电解槽的一个基本前提 现代铝工业发展 2020 1 30 10 铝电解原理 现代铝工业生产 普遍采用冰晶石 氧化铝融盐电解法 主要生产设备是电解槽 铝电解原理 以冰晶石 氧化铝熔体为电解质 炭素材料为两极 强大的直流电由阳极导入 经过电解质与铝液层从阴极导出 在两极间发生电化学反应 使电解质中的铝离子从阴极上得到电子而析出得到铝液 氧离子则在阳极上放电生成一氧化炭 二氧化碳混合气体的过程 2020 1 30 11 现代铝工业生产流程图 铝电解槽 氧化铝 氟化盐 预焙阳极组 供电机组 直流电 外部电源 电解烟气 载氟氧化铝 净化后烟气 排空 阴极铝液 真空抬包 铝液保持炉 铝液铸锭 产品交库 氧化铝投放 2020 1 30 12 现代铝工业生产的描述 现代铝工业中原铝的生产 主要采用冰晶石 氧化铝融盐电解法 直流电通入电解槽 在阴极和阳极上发生电化学反应的过程 电解的产物 阴极上是液体铝 阳极上是CO2 约75 80 和CO 约20 25 在工业电解槽中 电解质通常由95 质量百分数 下同 冰晶石与5 氧化铝组成 电解温度为945 960 电解液的密度约为2 1g c 铝液密度为2 3g c 两者因密度差而上下分层 铝液用真空抬包抽出后 经过净化和过滤 浇铸成商品铝锭 其纯度可达到99 5 99 8 阳极气体中还含有少量的有害的氟化物 沥青烟 固体粉尘和二氧化硫 废气净化后 废气排入大气 回收的氟化物返回电解槽内 2020 1 30 13 铝电解槽工作示意图 氧化铝加料 输送车间 阳极运输 车队 铝液运输 车队 铝液铸锭 铸造车间 直流电流 动力车间 预焙阳极 阳极车间 过程自动控制 计算机车间 电解烟气净化 输送车间 设备检修 检修车间 电解槽控制与维护 电解车间 原铝 成品铝分析流程检查 质量管理部 全公司动力 动力车间 2020 1 30 14 铝电解槽发展简史 在20世纪20年代 挪威开始使用侧棒自焙阳极铝电解槽槽型 槽容量随之扩大 电流强度到2 5KA 电流效率约80 公斤铝电耗20kwh 这种型式的铝电解槽很快在全世界范围推广使用 槽容量也增大到135KA 由于侧插自焙阳极铝电解槽的电流分布不均匀 阳极操作复杂 不易实现机械化 在20世纪40年代 法国成功研制出上插自焙阳极铝电解槽 这种槽型在阳极结构上增设了集气罩 用以收集阳极气体 提高了烟气中氟的浓度 使烟气易于净化和易于氟的回收 最大电流强度达到了150 160KA 由于世界各国对环境保护要求日趋严格 碳素生产技术日益发展 成功制造出大规格预焙阳极碳块 同时 随着氧化铝产量的日益增长 在20世纪60年代开始开发运用大型预焙阳极电解槽 槽中央部位实现自动下料 电流强度达到了230 350KA以上 电流效率94 95 公斤铝电耗达到13kw h 2020 1 30 15 槽型及其特点 工业铝电解槽槽型有 侧插棒自焙阳极铝电解槽 上插棒自焙铝电解槽 预焙阳极铝电解槽 连续 间断 三者各具特点 2020 1 30 16 自焙阳极铝电解槽 铝电解自焙阳极槽 生产中 根据其阳极消耗情况 定期地从上部添加阳极糊 利用电解槽运行产生的热量 将新加入的阳极糊焙烧成为坚实的固体阳极 阳极因此能连续使用 这正好与电解的连续过程相适应 但自焙槽在运行中 焙烧阳极时散发出有害的沥青烟气 它的回收又较为困难 净化费用较高 造成的污染较严重 二次阳极 质量问题在技术上解决困难 阳极发生病变的概率高 造成指标不理想 2020 1 30 17 侧插式连续自焙铝电解槽 2020 1 30 18 上插式连续自焙铝电解槽 2020 1 30 19 预焙阳极铝电解槽 预焙阳极铝电解槽 使用预先焙烧过的阳极 待阳极消耗到一定高度时要进行更换 把旧极取出换上新极 因此阳极不能连续使用 还会产生残极 而且更换阳极的过程会给铝电解生产造成较大的波动和影响 预焙阳极在生产过程中沥青烟气已进行净化处理 因而不会给厂房内环境造成影响 2020 1 30 20 连续预焙铝电解槽 图1 6连续式预焙阳极电解槽简图1 阳极炭块2 阳极棒3 阳极母线4 槽壳5 阳极炭块接缝6 阴极炭块7 阴极棒8 保温层 2020 1 30 21 现代大型预焙铝电解槽 2020 1 30 22 三种槽型的特点 就机械化和自动化程度而论 以预焙阳极铝电解槽的机械化和自动化程度最高 特别是中部下料的预焙阳极电解槽 上插棒自焙阳极铝电解槽次之 侧插棒自焙阳极铝电解槽最低 各种类型的电解槽 产生电极电压高低的顺序为 上插棒自焙阳极铝电解槽最高 侧插棒自焙阳极铝电解槽居中 预焙阳极铝电解槽最低 2020 1 30 23 三种槽型的特点 从投资来看 预焙阳极铝电解槽的上部结构和阳极装置比较简单 电解槽本身造价较低 但制造预焙阳极需要额外的阳极成型 阳极焙烧和阳极组装等一整套设备 从而增加的投资较多 这一般适于大型铝电解厂 上插棒自焙阳极铝电解槽上部机构比较复杂 投资较高 侧插棒自焙阳极铝电解槽投资则相对低些 按电解槽容量而言 预焙阳极铝电解槽容量最大 上插棒自焙阳极铝电解槽次之 侧插棒自焙阳极铝电解槽最小 2020 1 30 24 三种槽型的特点 在现代铝电解工业中 由于 中部加料的预焙阳极铝电解槽 在电解过程中无沥青烟害产生 密闭程度高 烟气收集和净化率好 环保效应较高 阳极电压降低 操作机械化 自动化程度高 适于电子计算机控制管理 因而被广为采用 而中小型铝厂采用自焙阳极电解槽组织生产 给社会带来的资源浪费和环保负担 正迫使企业面临强制改造和关闭的压力 2020 1 30 25 工业铝电解槽的布置方式 一般用于100KA以下容量的电解系列 2020 1 30 26 工业铝电解槽的布置方式 横向排列 供电车间 一般用于160KA以上容量的大型预焙电解系列 2020 1 30 27 现代大型预焙铝电解槽的构成 2020 1 30 28 现代大型预焙铝电解槽的构成 2020 1 30 29 可编辑 2020 1 30 30 现代大型预焙铝电解槽的构成 电解槽上部机构就位 螺旋起重机 2020 1 30 31 现代大型预焙铝电解槽的构成 2020 1 30 32 现代大型预焙铝电解槽的构成 2020 1 30 33 现代大型预焙铝电解槽的构成 2020 1 30 34 铝电解生产中的主要原料 一 溶质 氧化铝氧化铝是铝电解的主要原料 铝电解对氧化铝的要求 首先是它的化学纯度 其次是物理性能 在化学纯度方面 要求氧化铝中杂质和水分的含量低 因为氧化铝中那些电位正于铝的元素的氧化物 如SiO2 Fe2O3 等 在电解过程中会被铝还原 还原出来的Si和Fe进入铝中 从而降低铝的品位 而那些电位负于铝的元素的氧化物杂质 如Na2O和CaO会分解冰晶石 还会增加铝液中的氢含量 其它杂质 如P2O5 TiO2 V2O5 Cr2O3等都会影响电流效率 2020 1 30 35 铝电解生产中的主要原料 工业氧化铝的物理性能 对于保证电解过程正常进行是很重要的 通常要求它具有较小的吸水性 能够较快地溶解在熔融电解质里 在加料时飞扬损失少 并能够严密地覆盖在碳阳极上以防止阳极在空气中氧化 同时在凝固的电解质结壳表面上起良好的保温作用 这些物理性能取决于氧化铝晶格的晶型 粒度和几何形状 氧化铝分 砂状 粉状和中间状 其安息角分别为30 35 45 和36 44 2020 1 30 36 增加 氧化铝平衡示意图 氧化铝超浓相输送系统 槽上料箱 天车料箱 天车加料系统 新鲜氧化铝 渣壳 载氟氧化铝 氧化铝 渣壳 结壳块 脏料 人工添加 转变成铝 换极带走 漏到楼下 飞扬损失 氧化铝输送过程损失 纯度损失 槽极上 加工面及槽内铺底 净化系统损失 结壳块 氧化铝粉 槽极上 加工面及槽内铺底会发生变化 减少 过磅 水份损失 1930 计划消耗量 铝电解槽 41kg 2 124 与理论比 1889 97 88 103 5 34 回收95 损失 5kg 0 26 纯度98 6 损失 27kg 换极60kg 回收95 损失 3kg 0 16 其它损失总和 6kg 0 31 2020 1 30 37 2020 1 30 38 铝电解生产中的主要原料 二 熔剂 氟化盐铝电解生产用的主要溶剂是冰晶石 氧化铝能够溶解在冰晶石中 在962 时约能溶解11 的氧化铝 另外还有氟化铝 氟化钙 氟化镁 氟化鋰 冰晶石氧化铝能够溶解在熔融冰晶石里 构成的冰晶石 氧化铝这种电解质基本能够满足铝电解的需要 首先纯冰晶石里不含有电位顺序比铝更正电性的金属杂质 因而可以保证产品铝的质量 其次 熔融冰晶石能够较好地溶解氧化铝 而且所构成的冰晶石 氧化铝溶液可以在冰晶石的熔点1008 以下进行电解 第三 在此电解温度之下 冰晶石 氧化铝溶液的密度比铝液的密度小10 因此电解出来的铝液能沉积在电解质液下的阴极上 这就能够减少铝的氧化损失 而且更为重要的是可以大大简化电解槽的结构 第四 这种电解质具有相当良好的导电性 此外 冰晶石 氧化铝溶液基本上不吸水 在电解温度下它的蒸汽压不高 这就能保证电解质成份相对稳定 2020 1 30 39 铝电解生产中的主要原料 氟化铝氟化铝可用来降低电解质分子比 改善电解质性质 目前在铝工业上得到广泛运用 作为冰晶石 氧化铝溶液的一种添加剂 它既可以弥补电解质中氟化铝的损失 又可以降低电解质的分子比 降低电解质温度 工业氟化铝是一种白色粉末 其粒度比氧化铝稍大 不粘手 它在常压下加热时不熔化 但在高温下升华 不经过液态直接气化 1200 时蒸汽压达到760毫米 2020 1 30 40 铝电解生产中的主要原料 三 导电介质 预焙阳极碳块组 沥青 石油焦 沥青焦 残极 破碎 煅烧 中碎 筛分 中粒料 破碎 粗粒料 清理 中碎 筛分 粗粒料 中粒料 贮仓 贮仓 贮仓 贮仓 贮仓 细粉碎 细粉料 定量给料 配料 预热 连续混捏 两段 计量 振动成型 生碳块 焙烧 清理 阳极组装 预焙阳极组 熔化 静置 泵 2020 1 30 41 铝电解生产中的动力 强大的直流电送往240KA电解系列 2020 1 30 42 铝电解生产日常主要操作 阳极交换作业 出铝作业 熄灭阳极效应作业 抬母线作业 各种测量 数据收集作业 对电解槽的巡视 检查作业 打捞碳渣作业 局部扎边部作业 2020 1 30 43 铝电解生产主要技术经济指标 在铝电解生产中 衡量生产效果优劣的主要技术经济指标通常有 产量 电流效率 直流电耗 质量 原材料及能源消耗 它们是铝生产成本的决定性因素 一 原铝产量电解槽系列铝产量是指电解条件下所生产的原铝量 铝产量与电流强度 电流效率和运行的槽昼夜总数有关 通过提高电流强度 电流效率和增加运行的槽昼夜总数 都能够增加铝产量 因此电解生产中提高铝产量的途径通常有 保持生产的稳定性 提高电流强度 增加电解槽系列的槽昼夜总数 提高电流效率 2020 1 30 44 铝电解生产主要技术经济指标 二 电流效率铝电解的电流效率是指阴极上实际产出的铝量相对于理论上按照法拉第定律计算的铝量的百分数或小数 铝电解电流效率是铝电解生产的一项重要技术经济指标 在其它条件不变的情况下与铝产量 物耗 能耗是密切关联的 电流效率与铝产量和电耗率的关系铝电解电流效率直接影响铝的产量和电耗率 它们之间的关系可用下式表示 2020 1 30 45 电流效率降低的原因 铝电流效率总是达不到100 其主要原因是阴极上电解析出的铝又重新溶解或机械地混入电解质中 并被循环着的电解质带到阳极空间或电解质表面被阳极气体中的二氧化碳或空气中的氧所氧化 此外 也可能有其它离子放电和电流空耗 归纳起来 引起电流效率降低主要有以下四种 1 铝的重新溶解再氧化造成的损失 2 在一定条件下 钠离子同铝离子一起放电 析出钠 造成电流损失 3 电流空耗高价离子在阴极上放电不完全 生成低价离子 此低价离子以后又在阳极上氧化 重新生成高价离子 如此循环 造成电流空耗 此外 融盐的电子导电或阴极和阳极短路也会造成电流空耗 4 其它损失槽内生成AL4C3 融盐中所含水分的电解 杂质化合物的电解 出铝和铸锭过程中的铝损失等 2020 1 30 46 铝电解生产主要技术经济指标 铝的电流效率的计算公式 电流效率 m m 100 m 0 3355It 100 式中 m 铝的实际产量 g I 平均电流强度 A t 电解时间 h 0 3355 铝的电化学当量 g A h 原铝产量 吨 0 3355 24 I 槽昼夜 106 2020 1 30 47 铝电解生产主要技术经济指标 三 原铝直流电耗 直流电耗的基本概念直流电耗率是用于表示电能利用效率的一项重要指标 它是指铝电解产出单位金属铝量所消耗的电能量 计算出每公斤铝的理论耗电量为6 32kw h 而实际的铝电解电耗量远大于理论量 理论量与实际量之比的百分数称为电能效率 实际的铝电解电能消耗通常按下式进行计算 2020 1 30 48 式中 2980 为电化当量 0 3355的倒数 W 吨铝的电耗率kw h t Al V平均电压 铝电解槽的平均电压 伏 电流效率 从式中看出 铝电解生产中实际的电能消耗与平均槽电压成正比 与电流效率成反比 降低直流电耗的途径1 提高电流效率 2 降低电解槽的平均电压 电解槽的平均电压由极化电压降 阳极压降 阴极压降 电解质压降 槽内母线压降 槽外母线电压降以及效应电压降的分摊值组成 因此 通过采取有效措施 降低以上压降值 即可以达到降低电解槽平均电压的目的 2020 1 30 49 铝电解生产主要技术经济指标 四 原铝质量铝的质量通常按铝中金属的杂质的含量来评定 铝中金属杂质有二十多种 其中最主要的是Si Fe Cu等 此外铝中还有非金属杂质 如氢 氧化铝 炭化铝等 按GB T1196 2002可将重熔用铝锭分为AL99 90 AL99 85 AL99 70A AL99 70 AL99 60 AL99 50 AL99 00等七个质量等级 原铝中的主要的杂质是硅和铁 同时 还存在其它如 钠 钙 磷 硼 钛 钡 锌 镓等杂质金属 他们绝大部分随氧化铝等原料带入原铝中 进入原铝的非金属杂质主要有 氢 氧化铝 炭化铝等 2020 1 30 50 铝电解生产主要技术经济指标 五 原材料消耗原材料消耗在原铝成本中占很大比例 降低其消耗 能有效降低成本 物料消耗问题理论上每生产一吨铝要消耗1889公斤氧化铝 但是由于工业氧化铝中只含有98 5 99 的氧化铝 炭阳极并非纯炭 冰晶石在电解过程中亦有所分解和蒸发 各种物料都有一些机械损失 实际上的物料消耗量大约超过上述理论需要量的5 要降低消耗 须使运输管道 储槽 加料设备等严密不漏 包括氧化铝的袋子要防止破损 倒装时要倒干净 加料操作要认真仔细 不要将料撒到槽外 泄漏 飞扬的氧化铝尽量回收 烟气废料要净化回收并提高回收效率 对氧化铝粒度应尽量控制不能过细 2020 1 30 51 铝电解生产主要技术经济指标 氟化盐单耗1 冰晶石 氟化铝 氟化纳 氟化钙 氟化镁等总称氟盐 一般单耗如下 冰晶石5kg t Al 氟化铝27kg t Al 氟化铝1kg t Al 氟化镁3 5kg t Al 2 氟化盐消耗的原因氟盐理论上不消耗 实际消耗的原因主要有 高温蒸发 炭渣带走 槽衬吸收 水解 运输损失 加料损失等 3 降低消耗的途径由于氟化铝易挥发 添加时切忌直接加入液体电解质 而应将其加在氧化铝打壳下料口处 再覆盖一层氧化铝 待下次加工时打入电解槽内 以防造成严重的挥发损失 另外添加的原料要尽量减少水份的含量 以防造成电解槽中氟盐的水解损失 其它添加物也应尽量减小其机械损失 2020 1 30 52 炭阳极消耗1 不论是阳极块或阳极糊 按理论计算 假设反应全部生成CO2 碳需要消耗333公斤 吨 AL 而如果反应生成70 CO2