铝电解培训教材1.doc

第一章 铝的性质与用途第一节 铝的性质铝是自然界中分布极广的元素之一，地壳中铝的含量为7.35%，仅次于氧和硅而居第三位。由于铝是化学性质极为活泼的元素，所以在自然界中未发现单质的金属铝，而是以铝的各种化合物存在。铝土矿是现在的主要炼铝原料，此外还有明矾石等，世界铝土矿总储量320亿吨以上，我国山西、河南、山东和广西等地蕴含着丰富的铝土矿。从铝土矿或其他含铝原料中生产氧化铝，实质上是将矿石中的Al2O3与SiO2、Fe2O3、TiO2等杂质分离的过程。炼铝的历史可分为两个阶段，分别为化学法炼铝阶段与电解法炼铝阶段。尽管在自然界中含有极为丰富的铝，但铝第一次制取出来却是不到二百年前的事。1825年丹麦的厄尔施泰（HCOersted）在实验室中用钾汞齐还原无水氯化铝（AlCl3）,在世界上第一次得到铝。1845年法国人戴维尔（HSDeville）用钠还原NaClAlCl3混合盐也得到金属铝，并在法国进行小规模生产。到1877年电解法投产以前，世界上仅用化学法生产金属铝，这一阶段，铝产量极低，使铝成为世界上极为昂贵的金属之一。1886年，美国的霍尔和法国的埃鲁特发明了冰晶石氧化铝熔盐电解法炼铝，很快电解铝取代了化学法，而且产量迅速提高，成本迅速下降，到目前为止的百年间，铝工业发展成为仅次于钢铁工业的第二大金属冶炼工业。铝是一种具有银白色光泽的金属，常温下其比重只有2.7 g/cm3,是一种轻有色金属，它的主要特性如表11。表1-1 铝的主要特性 原子序数13密度（g/cm3）2.699(固)、2.3(液)原子价3溶点（）659沸点（）2467熔化盐（J/ g）386.6导热系数（J/cmS）2.08（固，20）、2.18（固，200）导电系数（10-4-1cm-1）3637（20）电化学当量（g/Ah）0.3356（Ah/g）2.980第二节 铝的用途铝可与许多金属形成合金,某些铝合金的机械强度很高,而且仍保持着质轻的优点,因此铝被广泛用于制造飞机的外壳、火车、汽车的车箱，以及快速转动的零部件等。铝是一种优良的导电材料，仅次于金、银、铜、水银。然而，与单位重量导电性而议，铝比其他任何金属的导电性都好。按照传导等量电流计算，铝的导电截面是铜的1.6倍，而重量只有铜的一半。因此铝广泛用于电气工业和无线电工业。铝具有良好的导热性，反光性。铝的导热性是不锈钢的10倍，它是制造活塞，热交换器，饭锅，电烫斗等传热设备的理想材料。同时利用铝具有良好的反光和热的性能，制造反光镜，隔热板，又可用来制作保温材料。铝极富延展性，很容易进行机械加工，轧制，切削，拉丝，压延，锻造等。铝具有良好的防腐性能。铝在空气中表面生成一层致密、光亮、坚硬、透明的氧化铝薄膜，起到天然保护层作用。所以，铝是经久耐用的建筑材料，在建筑业和装饰业上获得广泛应用。铝没有毒性，用它来包装食品及化学用品不会影响味道和质量，对人体不会带来危害。铝不带磁性，也不会产生附加磁性，故广泛用来制造精密仪器。总之，铝是当今电力、冶金、轻工、化工、航空航天、机械、建筑、食品等许多行业不可缺少的重要原材料，它和钢铁一样，已成为现代经济起飞的基础。铝的优异性能和丰富藏量，将使铝工业成为最有前途的重要产业之一。第二章 铝电解基本理论知识铝的工业生产，一直采用冰晶石氧化铝熔盐电解法。本章以冰晶石氧化铝熔盐电解为基础，介绍有关铝电解的基本理论知识。第一节 铝电解基本原理电解是指借直流电的作用，在阴阳极两极上实现电化学反应的过程。也就是说当直流电通过电解质时，电解质的某种成份在电极上分离出来，这种现象称为电解。更简单地说电解是由化合物经电离放电到变成原子的过程。根据法拉第定律指出,对任何物质,通过96485库仑(即26.8安培时)应析出一克当量铝(即8.9938克),那么通过1安培时,应析出0.3356克铝。因此，铝的电化学当量是在电解质通过1安培时电量时,理论上应析出0.3356克铝。在铝电解生产中用法拉第定律计算理论产量时，其公式如下：MKITM-理论产铝量（克）K-铝的电化学当量（克/安培时）I-通过的电流（安培）T-通过的时间（小时）铝电解生产的电流效率是指铝电解过程中，原铝实际产量与原铝理论析出量的百分比（%）。用公式表示为：电流效率=100%=100%由于铝电解过程中，在两极上发生二次反应、铝的溶解损失、钠离子的析出、炭化铝的生成、电流的损失和电流的空耗、及其它机械损失等因素的影响，实际上在阴极上所得到金属铝的数量远低于理论上应得到的数量，因此电流效率应小于100%，而一般在8696%之间。铝电解生产所需的大宗原材料大致可分为三大类：a.原料氧化铝b.熔剂氟化盐（包括冰晶石、氟化铝、氟化钠、氟化钙、氟化镁、氟化锂等）c.阳极材料阳极糊或预焙炭块氧化铝是铝电解生产过程的主要原料，其熔点很高（2050），不易直接熔化提炼铝。但是，固体氧化铝可以部分地溶解在熔点较低的冰晶石熔融液中，形成均匀熔体，并且此溶体具有良好的导电性，这使得铝的电解冶炼能在低于氧化铝熔点较多的条件得以实现。固体氧化铝溶解在熔融冰晶石熔体中，当通入直流电后，即在两极上发生电化学反应，在阳极上得到气态物质，阴极上得到液态铝，其过程为：溶解的氧化铝液态铝(阴极)+气态物质(阳极)。生产一吨金属铝，理论上需要氧化铝1889kg,但实际上则需19251940kg。铝的工业生产全部采用炭阳极，随着电解过程的进行，炭阳极参与电化学反应，生成碳的化合物-二氧化碳（CO2）反应式为：2Al2O3+1.5C 2Al1.5CO2在阴极上：Al3+(络合物)+6e 2Al（液）在阳极上：O2（络合状）+ 4eCO2（气） 上述反应过程是当今铝生产的基本原理。随着反应不断进行，电解质熔体中的氧化铝和固体炭阳极不断被消耗掉，生产中需不断向电解质熔体中添加氧化铝和补充炭阳极，使生产得以连续进行。冰晶石在理论上不消耗，但在高温熔融状态下会发生挥发损失和其他机械损失，因此，电解过程中也需作一定的补充。除此之外，反应过程中还需供给大量的直流电能（约为1300015000kwh/tAl）以推动反应向生成铝的方向进行。第二节 铝电解质及其性质1. 电解质的组成在铝电解生产过程中，连接阳极和阴极之间的熔盐体叫电解质。更确切地说，熔盐电解质是以冰晶石为熔剂，氧化铝为熔质，组成的冰晶石氧化铝熔体为主，其它氟化盐为添加剂，这种熔融体叫电解质。2熔剂的特性在电解过程中，液体电解质是保证电解过程能够进行的重要条件之一。液体电解质即指冰晶石氧化铝均匀熔融体，其主要成份是冰晶石。（占85%左右）。冰晶石的化学式为Na3AlF6( 或3NaFAlF3)。冰晶石中所含氟化物钠摩尔数与氟化铝摩尔数之比，称为冰晶石的摩尔比（俗称分子比），其表达式为：冰晶石的摩尔比（分子比） 摩尔比等于3的冰晶石称为中性冰晶石，冰晶石的摩尔比即可大于3，也可小于3，大于3的称为碱性冰晶石，小于3的称为酸性冰晶石。工业上也将冰晶石中氟化钠与氟化铝的组成比用质量比表示，在比值上，摩尔比是质量比的2倍，如摩尔比等于3的冰晶石，其质量比等于1.5。摩尔比等于3的冰晶石形成的电解质称为中性电解质，摩尔比大于3的冰晶石形成的电解质称为碱性电解质，摩尔比小于3的冰晶石形成的电解质称为酸性电解质。目前铝工业上均采用酸性电解质生产。3初晶温度初晶温度是指液体开始形成固态晶体的温度。固态晶体开始熔化的温度称为该晶体的熔点。初晶温度与熔点的物理意义不同，但在数值上相等。冰晶石氧化铝均匀熔体电解质其初晶温度随氧化铝含量增多而降低。电解质的摩尔比（分子比）降低，其初晶温度也随之降低，但氧化铝的溶解量也会降低。电解生产中需要电解质的初晶温度越低越好，这样可以降低工作温度（工作温度一般控制在初晶温度以上1020范围）。工作温度越低，减少设备变形，延长设备使用寿命，工人劳动环境改善，电解质挥发损失小。而且，更重要一点，电解过程中电流效率随电解温度降低而提高，即可以降低电能消耗，又可以增加产量。4. 密度密度是指单位体积的某物质的质量,其单位为g/cm3。工业铝电解质溶体的密度随温度的升高，氧化铝含量增多而降低。实际生产中需要电解密度较低为好，铝电解生产中，铝与电解质是两种相溶性很小的液体，铝水的密度比电解质大，故沉于电解槽底部，它们之间的分离靠两种溶体的密度差来实现。因铝水的密度一定，只有减小电解质熔体的密度来增大其密度差来实现，从而使两种液体良好分离。5导电度导电度称为比电导或导电率，它是物体导电能力大小的标志，通常用比电阻的倒数来表示。单位为：-1cm-1。在电解质熔体中，随着氧化铝浓度的增加，电解质的导电度减少。工业电解质的导电度一般在2.132.22-1cm-1范围内，生产中需要电解质具有大的导电度。电解质导电性越好，其电压降就越小，越有利于降低生产能耗。6. 粘度粘度是表示液体中质点之间相对运动的阻力，也称内摩擦力，单位为PaS(帕秒)。熔体内质点间相对运行的阻力越大，熔体的粘度越大。工业铝电解质的粘度一般保持在310-3PaS左右，过大或过小，对生产不利。电解质粘度过大，会降低氧化铝在其中的溶解速度，会阻碍电解质中碳渣分离和阳极气体的逸出，给生产带来危害。但电解质粘度过小，会加快电解质的循环，加快铝在电解质中的溶解损失，降低电流效率，而且加快氧化铝在电解质中的沉降速度，造成槽沉淀。7部分添加剂对电解质性质的影响及特点 添加剂AlF3、CaF2、MgF2的共同优点： 增大铝液与电解质间的界面张力，降低铝的溶解损失； （按wt%计， AlF3 MgF2 CaF2） 降低初晶温度（ MgF2 CaF2 AlF3）。 添加AlF3、CaF2、MgF2的共同缺点： 降低电解质的导电率（ AlF3 MgF2 CaF2）； 降低氧化铝的溶解度（ AlF3 MgF2 CaF2）。 添加AlF3（降低分子比）与添加CaF2MgF2的不同特点： MgF2、CaF2： 增大电解质与炭间界面张力，能降低电解质在阴极炭块中渗透,有利于炭渣分离,可能不利AE控制（不利气泡排出）； 增大电解质粘度，不利于炭渣分离（与上条特性矛盾）, 不利于铝珠与电解质分离（有损电流效率）不利于较大幅度降低温度； 增加电解质的密度（8%以下时, MgF2 CaF2，8%以上时，则反之）； 不仅降低氧化铝溶解度，且还降低氧化铝溶解速度； 促进边部结壳生长。 AlF3： 降低电解质与炭间界面张力（优点、缺点正好与MgF2CaF2相反）； 降低电解质粘度（正好与MgF2CaF2相反）； 降低电解质密度（正好与MgF2CaF2 相反）； 虽降低氧化铝溶解度，但对氧化铝溶解速度几乎无直接影响； 增大电解质挥发损失（无烟气净化时，损失大）。 添加LiF的作用：优点：降低初晶温度（ LiF MgF2 CaF2 AlF3）；提高导电率；降低电解质密度。利用LiF可降低初晶温度和提高电导率的特点，可强化电流（每增加1% LiF，电流可提高1.25%，同时基本维持过热度不变，电耗可降低）。 缺点：降低氧化铝的溶解度和溶解速度；价格较昂贵。总的来讲，含锂的电解质其电流效率不如高AlF3的好，主要是沉淀问题。理论和实践表明电解质分子比降低，电流效率提高。80年代以来，国外现代化大型预焙槽上流行使用分子比为2.12.3的电解质，不添加其他添加剂。 理论及生产实践表明，每加1% AlF3 ，就增加电流效率0.5% 。但如果分子比过低（AlF3含量过高）则： a. 减小了电解质导电率； b. 减小了氧化铝溶解度； c增大了电解质的挥发损失； d增大了Al4C3的溶解损失（阴极和内衬的腐蚀增大）； e. 易生成铝的低价氟化物而增加铝损( 减低电效 ); f. 操作困难，对控制要求高。 因此，不能稳定保持的低分子比并非能得到高电流效率的结果。 整体电解质成分对基本性质的影响见下表21表21 电解质成份对其基本性质的影响电解质性质电解质熔点（）氧化铝溶解度（%）比重（g/cm2）粘度（Pas）挥发性导电率（欧姆厘米）表面张力和湿润性增加氟化钠含量降低提高降低降低提高降低增加氟化铝含量降低降低降低降低增加降低增加增加氟化钙含量降低降低增加降低增加增加氟化镁含量降低降低增加降低增加增加氧化铝含量降低降低增加降低降低提高电解质温度提高降低降低增加提高降低炭粒含量增加增加降低降低8. 两极副反应在铝电解过程中,除前面讲的两极主反应外,同时在两极上还发生着一些复杂的副反应.这些副反应对生产有害无益,生产中应尽量加以遏制。 阴极副反应 铝在电解质中的溶解反应和损失:在铝电解过程中，处于高温状态下的阴极铝液和电解质的接触面上，必然有析出的铝溶解在电解质中，一般认为，阴极铝液在电解质里的溶解有以下几种情况：a. 溶解在熔融冰晶石中的铝，生成低价铝离子和双原子的钠离子。 2Al+Al33Al Al+6NaAl3+3Na2b. 在碱性电解质中，铝与氟化钠发生置换反应。 Al3NaFAlF33Na2c. 铝以电化学反应形式直接溶解进入电解质熔体中。 Al(液)eAl 金属钠的析出:在阴极的主反应是析出铝而不是钠,因为钠的析出电位比铝低。但随着温度升高，电解质分子比增大，氧化铝浓度减小，以及阴极电流密度提高，钠与铝的析出电位差越来越小，而有可能使钠离子与铝离子在阴极上一起放电，析出金属钠。 Na+eNa在碱性电解质中，溶解的铝也可能发生下列反应而置换出钠。 Al+6NaFNa3AlF6+3Na析出的钠少部分溶解在铝中，剩下的一部分被阴极碳素内衬吸收,一部分以蒸汽状态挥发出来,在电解质表面被空气或阳极气体氧化,产生黄色火焰。 碳化铝（Al4C3）的生成:在高温条件下，铝可与碳发生反应生成碳化铝 4Al+3CAl4C3 阳极副反应 阳极效应: 阳极效应是铝电解过程中发生在阳极上的一种特殊现象。a. 阳极效应发生的机理：阳极效应的发生，是阳极表面性质，电解质的性质和阳极气体性质改变的综合结果。在正常电解时，电解质中的氧化铝含量较高，此时在阳极上总是含O2-离子放电，连续析出CO2和CO气体。由于阳极表面总是新鲜的,电解质有足够的湿润能力,于是析出的气体则以小的气泡逸出。随着氧化铝含量的逐渐减少，F-离子开始放电（与O2-离子一起放电），生成碳氟类络合物，而后分解生成COF2或CF4。因此，改变了阳极气体成分的同时，也改变了阳极的表面性质。电解质对阳极的湿润变坏，由于气体薄膜的作用，和阳极表面性质改变而电阻增大，则电压升高，于是阳极效应发生。b. 阳极效应现象：当阳极效应时,在阳极与电解质接触的周边上,出现许多细小的弧光闪烁,电解质像小雨点似的沿阳极上溅,并可听到咝咝的响声。槽电压骤升到数十伏，并联在电压表上的指示信号灯也亮了起来。c. 阳极效应产生原因:主要原因是电解质中AL2O3含量降低，使阳极临界电流密度下降，电解质在阳极表面上的湿润性变坏。临界电流密度是指在一定条件下，发生阳极效应时的阳极电流密度。它随氧化铝浓度减少而减小，还与电解质温度、阳极材料、电解质成份等因素有关。 d. 阳极效应的影响与危害性：发生阳极效应时电压骤升，挥发剧烈，消费大量的电能和各种原材料，又影响铝水品位，增加劳动量，恶化环境等。但偶尔发生阳极效应，可清理电解质中的碳渣，对冷槽可用阳极效应提供热能调整热平衡等。9. 铝的二次反应冰晶石氧化铝熔盐电解阳极一次产物是二氧化碳气体，但是在所有工业电解槽帮上对阳极气体的测量结果均不是100%的二氧化碳，一氧化碳的产生一般认为是电解发生反应的同时，伴随着一系列副反应所致，主要过程为溶解于电解质中的铝被带到阳极区间与二氧化碳接触而被氧化，即铝的二次反应。 2Al(溶解的) 3CO2Al2O33CO此外，由于碳阳极散落掉渣，分离后飘浮在电解质表面，当二氧化碳气体与这些碳渣接触时，会发生还原反应而生成一氧化碳。 CCO22CO在阳极副反应中，铝和二氧化碳的反应是电解过程中降低电流效率的主要原因，生产中应尽量控制这类不利反应的发生。第三章 铝电解生产概况第一节 铝电解生产流程现代铝工业生产采用冰晶石氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂，氧化铝是溶质被溶解，以碳素作为阳极（预焙阳极块），铝液作为阴极，通入直流电流后，在940970下，电解槽两极上进行电化学反应，即电解。阳极产物主要是二氧化碳和一氧化碳气体，但其中含有一定量的氟化氢（HF）等有害气体和固体粉尘，须对阳极气体进行净化处理，除去有害气体和粉尘后排入大气。阴极产物是铝液，铝液通过真空抬包从槽内抽出，送往铸造车间，在混合炉内净化澄清之后，浇注成铝锭，或生产其它铸造产品等。其生产工艺流程图如下图31：送炭素公司 排入大气残极块 预焙阳极块 直流电 氟化盐 新鲜氧化铝 净化后烟气 预焙阳极块组 含氟氧化铝 电解槽烟气 残极块组 铝 液 大修废料送渣场 图3-1 铝电解生产工艺流程图 第二节 铝电解生产原辅材料 1. 氧化铝： 氧化铝是一种白色粉状物，熔点为2050，沸点为3000，真密度为3.5-3.6g/cm3，容积比重为1 g/cm3 。它的流动性好，不溶于水，能溶解在熔融的冰晶石中。它是铝电解生产的主要原材料。 氧化铝在电解生产中的作用是：a. 不断地补充电解质中的铝离子，使其浓度保持在一定的范围内，保证电解生产的持续进行；b.氧化铝覆盖在电解质壳面上可以起到良好的保温作用，覆盖在阳极炭块上防止阳极氧化；c.在烟气干法净化系统中充当吸附剂，用来吸附电解烟气中的氟化氢（HF）气体。 在化学纯度方面，要求氧化铝中杂质含量和水份要低。因为氧化铝中那些电位正于铝元素的氧化物，例如SiO2(二氧化硅)和Fe2O3(氧化铁)，在电解过程中会被铝还原，或者优先于铝离子在阴极析出。析出的硅、铁，进入铝内，降低铝的品位，而那些电位负于铝元素的氧化物，如Na2O、CaO（氧化钙）会分解冰晶石，一是引起氟化盐消耗，二是增加铝中的氢含量，三是产生氟化氢气体，污染环境。P2O3（五氧化二磷）会影响电流效率。氧化铝的化学成分要求见表3-1。 表3-1 国产氧化铝质量标准（YS/T274-1998）氧化铝的化学成分等级牌号化学成份（）Al2O3含量不少于杂质含量不大于SiO2Fe2O3Na2O灼碱一级二级三级四级AO-1AO-2AO-3AO-498.698.448.398.20.020.040.060.080.020.030.040.050.500.600.650.701.01.01.01.0 除化学成分外，中间点式下料预焙槽对氧化铝的物理性能有特殊要求: a. 具有较小的吸水性，在电解质中溶解性好；b粒度适宜，加料时飞扬损失少，能严密地覆盖在阳极炭块上，防止阳极在空气中氧化；c. 保温性能好，活性大，从而能有效地吸收HF气体。d. 安息角：3538。根据氧化铝的物理性能不同，可分为三类：砂状、粉状和中间状，下表32列出三种氧化铝的特性。表3-2 不同类型氧化铝的特性氧化铝类型安息角（）灼 减（）累 计 （）-44m-74m砂 状中间状粉 状3040451.00.50.55 -1530-4050-6040-5060-7080-90 因为砂状氧化铝具有流动性好，溶解快，对氟化氢气体吸附能力强等优点，正好满足预焙槽的生产。生产一吨铝所需要氧化铝，从理论上计算为1889公斤，实际上由于氧化铝不纯及运输，加工时的损失，生产一吨铝实际需要氧化铝约19251940公斤氧化铝。2. 氟化盐： 铝电解生产中所用氟化盐主要是冰晶石和氟化铝，其次有一些用来调整和改善电解质性质的添加剂，如：氟化镁、氟化锂、氟化钙、氟化钠。 冰晶石冰晶石分天然和人造两种，由于天然冰晶石在自然界中储量很少，不能满足工业之用，故铝工业均用人造冰晶石。冰晶石分子式为Na3AlF6,或写成为3NaFAlF3。国产冰晶石和氟化铝的质量标准如表3-3和表3-4。表3-3 国产冰晶石的质量标准（GB/T4291-1999）等级化 学 成 分，不小于不 大 于FAlNaSiO2Fe2O3CaOSO2-4P2O5H2O灼减特级5313320.250.050.100.70.020.42.5一级5313320.360.080.151.20.030.53.0二级5313320.400.100.201.30.030.83.0表3-4国产氟化铝的质量标准（GB/T4292-1999）等级化 学 成 分，不小于杂 质，不大于FAlNaSiO2Fe2O3SO2-4P2O5灼减特一级6130.00.50.280.100.50.040.5特二级6030.00.50.300.130.80.041.0一级5828.23.00.300.131.10.046.0 氟化钙 氟化钙分子式为CaF2, 其俗名为萤石粉，是一种经过精选品位很高的天然矿物质。在正常的铝电解生产中，往电解质中添加一定数量的氟化钙能降低电解质的熔点，多被用于电解槽启动前装炉，其作用是对炉帮形成有好处，可形成比较坚固的炉帮。 氟化钠 氟化钠的分子式为NaF, 是一种白色粉末，易溶于水。是铝电解质的一种添加剂，用以调整由于新槽的炭素内衬选择性吸收钠盐及装炉时装入大量低分子比冰晶石所造成的分子比下降。一般由于新槽开动也用碳酸钠（曹达）代替氟化钠，这样更加经济且能加速电解质的沸腾与循环，有助于电解质成份均匀。 氟化锂 氟化锂分子式为LiF，是铝电解生产的一种良好的添加剂，它可以降低电解质的初晶温度，增加电解质的导电度，改善电解质的性质，比氟化镁、氟化钙效果更显著，但氟化锂比较昂贵，铝电解厂有时用碳酸锂（Li2CO3）代替氟化锂，降低成本。3.阳极材料:在铝电解生产过程中，阳极是在高温下与具有很强侵蚀性的冰晶石熔液直接接触，能够受这种侵蚀又有良好的导电性，价格低廉的材料唯有炭素材料。预焙阳极块是预焙电解槽的阳极材料，它是由焦炭按不同的粒度组成，与一定比例的沥青配料、混捏，振动成型，经过高温焙烧而成。为了保证阳极块上槽后，电解生产能够顺利进行，对预焙阳极块必须有严格的质量要求, 预焙阳极块的理化标准见表35。表35铝电解用预焙阳极质量标准（YS/T285-1998）牌号灰分电阻率.m热膨胀率CO2反应性Mg/(cm2.h) 耐压强度MPa体积密度g/cm3真密度g/cm3不大于不小于TY-10.50550.4545321.502.00TY-20.80600.5050301.502.00TY-31.00650.5555291.482.00除理化指标外，在外观上也有严格要求：a.成品表面粘接的填充料必须清理干净。b.成品表面的氧化面积不大于该表面面积的20，深度不得超过5mm。c.成品掉棱长度不大于300mm，深度不大于60mm,不得多于两处。d.棒孔或孔边缘裂纹长度不大于80mm，孔与孔之间不能有连通裂纹。e.大面裂纹长度不大于200mm，数量不多于3处。组装后的碳块，外观要求：a.铝导杆弯曲度不大于15mm；b.组件焊缝不脱焊，爆炸焊片不开缝；c.磷生铁浇注饱满平整，无夹渣和气泡。要求碳阳极含杂质尽量少，特别是铁、硅、矾、钛、镍、硫等氧化物。这些杂质不仅影响碳阳极理化指标，而且会在电解过程中进入铝液而影响铝的纯度或影响电流效率，对生产不利。第四章 铝电解槽的结构第一节 铝冶金的发展概况1886年美国人霍尔（Hall）与法国人埃鲁特（Heroult）不约而同地提出了利用冰晶石氧化铝熔盐电解法炼铝的专利，开创了电解法炼铝阶段，最初是采用小型预焙电解槽，二十世纪初出现了小型侧部导电的自焙阳极电解槽，二十世纪四十年代出现了上部导电的自焙阳极电解槽，五十年代起大型预焙阳极电解槽的出现，使电解铝技术迈向了大型化、现代化发展的新阶段，电解槽容量到目前为止世界最大电解槽容量已达到500KA，电解槽的设计、安装、操作控制都建立在现代技术的基础上，电解炼铝的技术经济指标和环境保护水平都全然改观、远非往昔可比。一百多年来，铝电解槽的结构有许多改进，其中以阳极结构的变化最大，阳极结构所经历的顺序大致是：小型预焙阳极侧部导电自焙阳极上部导电自焙阳极大型不连续预焙阳极及连续阳极中间下料预焙阳极。至今为止电解炼铝虽然仍旧是建立在霍尔-埃鲁特的冰晶石氧化铝熔盐电解的基础上，但是无论是理论上还是工艺上都取得了长足的进步，并继续向前发展。2003年前，南平铝业公司电解铝生产主要采用的是30kA、60kA侧插自焙阳极电解槽，该槽型及生产工艺技术属于国外50年代以前的落后技术，技术经济指标差，耗能大；自动化水平低；电解烟气污染严重，不能有效治理，是国家限期改造和淘汰的槽型和工艺，因此电解铝技术改造势在必行。南平铝业顺应时势，本着高起点、高标准、高技术的原则将原有的60KA侧插自焙槽进行更新换代，优化升级，改造成接近当今国际先进水平的高产、高效、低能耗、低污染的240KA大型中间点式下料预焙槽。南平铝业的年产7.3万吨电解铝技改工程由贵阳铝镁设计研究院设计，总槽数112台，工程建设与投产分三期进行，现已全部投产： 2003年6月一期56台槽正式投产，2003年11月二期26台槽陆续投产，2006年7月三期30台槽正是投产。第二节 电解槽的工艺特点与技术参数1. 南平铝业的240kA预焙铝电解槽具有如下技术特点： 大容量(高产) 240kA预焙槽具有大容量的鲜明特点，其单槽日产原铝可达1816.5kg，且具有单位面积产能高的特点，电解槽平方米单位面积产铝量45kg，处于国内铝电解领先水平。 高电流效率(高效) 240kA预焙槽电解生产可以获得高的电流效率，其设计电流效率为94。 低投资 240kA预焙槽具有电解系列基建投资低的特点，在电解系列等规模条件下，比200kA预焙电解系列节约投资6。 低能耗 240kA预焙槽电解生产的吨铝直流电耗可达到13320kW.h及以下。 低污染240kA预焙槽采用密闭电解生产，其电解系列采用先进的干法净化系统，吨铝氟排放量降低到1.0kg以下。综上所述，240kA预焙槽具有高产、高效、低投资、低能耗、低污染等技术特点。2. 240KA电解槽设备配置优势有： 优化的母线配置结合国外先进铝厂母线配置的经验，采用先进的电、磁及磁流体动力学数学模型及计算机模拟技术设计的大面“四点进电”母线配置，可使电解槽获得最佳的磁流体动力学效果和稳定性，并采用“当量优化法”模型对母线系统的断面和电流分布进行优化设计，可获得最低的母线投资和电能消耗。 合理的槽内衬与槽壳结构选择了窄炉膛操作面，提高了电解槽单位面积产能，并采用电热模拟技术及非线性槽壳结构有限元优化软件，设计了先进、合理的槽内衬及槽壳结构，可以使电解槽处于较佳的热平衡状态，取得较长的槽寿命，槽壳变形小，材料用量省。 先进的铝电解控制系统在铝电解控制技术方面，采用电解槽自适应控制技术及电解槽智能模糊控制系统技术,Al2O3浓度可控制在1.53范围内，电解温度可有效地控制在9505范围内，效应系数(AE)可控制在0.30次槽日以下。 3主要设备技术参数电流强度(kA)： 240 阳极电流密度(A/cm2)： 0.733 阳极组数(组)： 16(双阳极组块) 阳极炭块组尺寸： 1550(660+10+660)550(mm) 每组阳极钢爪数(个)： 8 每个钢爪直径(mm)： 140 铝导杆截面：(mm) 200170 槽膛面积：(mm) 117003840 槽膛深度：(mm) 550 操作面尺寸(mm)：大面 280（两厂房后15台槽为310） 小面 390（两厂房后15台槽为420） 中缝 180 阴极炭块尺寸(mm)： 3320515450 阴极炭块组数(组)： 20 阳极升降速度(mm/min)： 100 摇兰架组数：活动(组) 17 固定(组) 2 阳极母线规格：(mm) 550200 阳极最大行程(mm)： 400第三节 电解槽的槽体构成电解槽由阳极、阴极、槽罩与绝缘物四部分组成1. 阳极结构 阳极结构即槽上部结构，具体包括阳极、阳极母线、阳极传动机构、打壳下料装置及腹板支承梁等。16组双阳极分两排配置于两组阳极母线外侧，利用卡具将阳极铝导杆压紧在阳极母线上，铝导杆和阳极钢爪之间的过渡采用铝-钢爆炸焊块，钢爪与炭块用磷生铁浇注，钢爪爪头安装炭素保护环，保护钢爪不被电解质侵蚀，阳极示意图见图41：图41 阳极示意图打壳装置是为加料而打开壳面用的，它由打壳气缸和打击头组成。打击头为圆柱形锤头组成，通过锤头杆与气缸活塞相连。当气缸充气活塞运动时，便带动锤头上、下运动而打击熔池表面结壳，下料系统由槽上料箱、下料器组成。料箱上部与槽上溜槽相通。筒式定容下料器安装在料箱的下侧部，筒式定容下料器每次下料1.8kg。每个电解槽设有4个打壳下料装置，两两交错打壳下料。在电解槽一端另设有专供出铝用的打壳装置。阳极提升机构由螺旋起重机、减速机、传动机构和马达组成，起升降阳极作用。两条阳极大母线悬挂在螺旋起重丝杆上，16组阳极通过卡具卡紧在大母线上。阳极大母线即承担导电，又起着承担阳极重量的作用。槽上部结构示意图见下图4-2： 图42 槽上部示意图2.阴极结构 阴极结构包括钢槽壳与内衬两大部分钢槽壳系采用摇兰式小船型结构，它由长侧板、短侧板，底板和摇兰托架等焊接组装而成。内衬的底部结构从下往上：一层硅酸钙保温板80mm、二层硅藻土保温砖265mm、一层干式防渗料 160mm、一层阴极炭块 450mm。 侧部结构：一层厚120mm的侧部炭碳氮化硅复合块，大面侧部炭块下部是高强防渗料及保温砖伸缩缝砌体，小面侧部复合块下部是轻质浇注料，所有底部炭块间缝以及侧部复合块与底部炭块间均采用炭素糊扎固，在槽膛内壁用炭素糊扎制人造伸腿。两厂房后15台槽侧部改用90mm碳氮化硅砖替代原120mm复合块，以改进原炭碳氮化硅复合块易开裂、炭块易氧化等缺陷。内衬结构图如下图43： 图43 内衬结构示意图3槽罩结构采用厚为1.03.0mm铝板与铝型材框架焊接而成，每台槽的槽罩由34块大面槽罩、4块角部槽罩与4块小面槽罩构成。4.绝缘物在电解槽上设置绝缘是保证设备和人身安全的需要，也是防止直流电旁路电解反应的需要。在电解系列上，系列电压达数百伏，甚至上千伏。一旦发生短路、接地，容易造成电器设备，特别是电子控制设备事故，一旦人手触摸构成与地回路，还会发生人身事故。电解槽系列使用大功率的直流电，而槽上阳极提升电机、回转计使用的是交流电，若直流窜入交流回路，也会引起设备事故，因此对两者也有进行绝缘的必要。具体设置绝缘物的部位是：为防止接地，在阴极母线（含汇流母线）母线墩、槽壳槽壳支墩、上部结构支烟管主烟管之间设有绝缘。为隔离交、直流，在阳极提升电机底座、回转计底座处装有绝缘。为防止电流旁路漏电、阴阳极短路，在上部槽门型立柱阴极槽壳、炉罩的上下端、阳极导杆上部槽结构钢板、打壳机构-上部槽结构之间设有绝缘。为防止槽与槽之间短路，在槽与槽间钢格盖板的支撑角钢-槽壳之间设有绝缘。第四节 电解车间其它主体设备 多功能天车、提升框架与出铝抬包是电解厂房的重要设备，本节简要介绍这三种设备的性能与结构。 1.多功能天车：南平铝业公司铝电解用多功能天车（以下简称P.T.M）是由贵阳铝镁设计研究院设计、沈阳冶金机械制造公司制造安装的铝电解生产专用设备，每栋厂房配置2台，共4台。P.T.M在电解厂房内完成铝电解槽的各种工艺操作。它集打壳、更换阳极、覆盖氧化铝、出铝、辅助提升阳极母线等各种功能于一体。是机、电、液、气一体化的大型专用设备。它处于高温熔盐、大电流、强磁场、多粉尘和氟化氢气氛的环境中，因此在P.T.M的设计中采取了下列措施，如：重要电气元器件（PLC等）采取了屏蔽防磁、防干扰；有可能与电解槽接触的零部件，如：扳手拧头、阳极导杆夹头、出铝吊钩、加料管等采用防磁材料。每个机构，如：打壳机构、更换阳极装置、下料装置、操作室等都设置多道绝缘，防止P.T.M与电解槽之间交、直流混电，确保工作人员的安全，设有用电设备漏电实时检测系统。为保证安全操作，各机构均有联锁、限位、限速措施，并设有各种故障报警信号。其主要由运行大车、运行工具车、出铝车、电气系统、液压系统、气动系统等组成，P.T.M的总重量约72t，电气总容量约180KW。纵向运行大车：大车包括由两根主梁和两根端梁组成的桥架、轨道、走台、栏杆、扶手梯及其他附件。桥架由6轮支承、每一根端梁有一套驱动装置（1/3驱动）。主梁为箱型截面，梁内设有横向隔板和纵向加筋板，安装轨道处外侧有横向筋板和翼板联接，使主梁在较大的弯曲、扭转载荷作用下有足够的刚度和强度。端梁为箱型截面，每个端梁下面有三个圆柱形的垂直车轮，在供电侧（大通道侧）的端梁下面有两对球面水平车轮，防止P.T.M水平偏移。在非供电侧（烟道侧）的端梁下面有两个安全卡，预防万一水平车轮损害时以此P.T.M安全。横向运行的工具车：工具车包括车架、工具回转装置（带回转位置控制系统）、打壳机构、更换阳极装置、料箱及下料装置。工具车的车架是由两根端梁和两个门架组成，供安装工具回转装置和打壳机构、换阳极装置等用。每根端梁下面有两个圆柱形的垂直车轮，其中一个端梁下面有两对球面水平车轮，另一个端梁下面有两个安全卡，预防万一水平车轮损坏时以此保证工具车安全。车架由4轮支承，每一根端梁有一套驱动装置（1/2驱动）。出铝车：悬挂于主梁上并横向行走的出铝车包括车架、垂直导向架、移动框架、卷扬装置、电子称重系统、回转的防磁吊钩等。车架与垂直导向轮通过绝缘节联成一体，在车架梁下面装有两个圆柱形垂直车轮，每个车轮都装有驱动装置。卷扬装置安装在车架的平台上，在移动框架的下端的横梁上安装回转防磁吊钩，销轴式电子秤重传感器安装在定滑轮处。电气系统：电气系统包括配电设备（配电、控制、操作、照明）、PLC系统、编程软件系统、编程器、变频器、遥控器（发射和接收）、电缆（动力和控制）、电动机、电动机启动器和控制器、绝缘和漏电检测。配电设备防护等级IP54，控制柜双层外壳，绝缘等级F级以上。液压系统：液压系统包括油箱、液压泵、阀件、管路、执行器（油缸、油马达等）、附件、传感器、指示器等。气动系统：气动系统包括空压机、阀件、管路、胶管、气缸、打壳机等。2.阳极提升框架:阳极提升框架为定期调整阳极母线与阳极导杆的装夹位置，每栋厂房设1台,共2台，其包括实腹板梁结构框架、阳极夹具、滑动架、起吊架、支腿、地面支承架、行走装置(包括行走气动马达2台)、扳手机构（包括气动马达2台）、夹紧机构（包括薄膜气缸32只）、操作盒（手柄）、气路系统(包括气动三联体)等。滑动架由人工通过气动控操作杆控制按钮使滑动架往复运动，并通过控制气动马达打开或拧紧小盒卡具，气动扳手扭距为250N.m。每个夹具的夹持重量不小于3250kg，夹具和支腿与框架的绝缘值不小于2M，单台设备总重约14870kg，设备起吊重量约13300kg。3. 出铝真空抬包：出铝真空抬包是出铝和运铝液的专用设备，它由带压缩空气喷射装置的上盖、抬包本体、传动齿轮、内衬结构组成，其工作原理是由压缩空气喷射，造成负压，利用包本体所带的吸铝管将电解槽内液铝吸入包内。其主要特性如下：*抬包有效容量 2.4t（大抬包4.3t）*吸铝能力 1.2t/min*压缩空气压力 0.6MPa*压缩空气耗量 4.0m3/min*手轮回转力 190N*外型尺寸（长宽高） 4.553.13.4m第五章 铝电解槽的焙烧与启动第一节 铝电解槽的焙烧新铝电解槽或大修后电解槽在进入生产之前，必须经过焙烧与启动这一重要过程。电解槽焙烧目的在于：通过一定时间的缓慢加热，使电解槽的内衬得以烘干；阴、阳极温度接近或达到电解槽正常生产温度；阴极炭块间和槽周边的扎糊进行烧结焦化。焙烧启动这一过程在电解槽的使用期内虽然很短，但对电解槽使用寿命起着重要影响。目前，铝工业电解槽有三种焙烧方法，分别为：铝液焙烧、焦炭焙烧、燃料预热法。 铝液焙烧通过电解槽的直流电流释放出的焦耳热是热的来源，铝作为介质。优点：操作简单，不需要其它工具和材料相配合。缺点：高温的铝水直接冲击阴极炭块及扎糊表面，液体金属铝过早地渗入阴极裂缝中，是电解槽早期破损的主要途径之一。在我国中、小型电解槽焙烧时常用此方法。 燃料喷嘴焙烧燃料为重油，液化气或天然气等。其优点是：升温快可以控制阴极表面温度，72h可达到1000，焙烧后不用清除焙烧物料。缺点：燃烧装置复杂；焙烧只能控制槽内衬表面温度，槽底部温度靠热传导的作用传递温度，表面和槽底内部温差较大；阴极表面易烧损、氧化；容易在阴极表面和扎固糊产生大裂缝；在灌电解质时，要在很短的时间内灌进去，否则易造成电解质流动性不好而凝固。焦炭焙烧焦炭焙烧又称为焦粒焙烧或焦粉焙烧，焦粒连接电解槽的阳极与阴极，直流电流通过阳极