三层液铝电解生产工艺

1、三层液铝电解生产工艺第1页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日原铝、精铝与高纯铝定义： 原铝（Primary aluminum)：又称一次铝，是通过霍尔-埃鲁电解法生产的铝熔体，即从电解槽内吸出的铝水。 纯铝（ aluminum)：铝含量最少为99.90%，并且其它任何元素的含量不超过规定的界限值的金属铝，实质上也就是原铝。中国有些铝厂如包头铝业有限公司可以生产99.90%的原铝。 精铝（Refined aluminum)：用特殊冶炼方法获得的纯度不小于99.95%的金属铝，主要方法有三层液铝电解法、偏析法和化学法。 高纯铝（High pure aluminum)：所谓高纯铝一

2、般没有明确的定义，不同的国家对高纯铝有不同的定义。第2页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日中国将重熔用铝锭分为三级纯铝99.00%铝含量99.85%精铝99.95%铝含量99.996%高纯铝铝含量99.996%第3页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日 三层液电解精炼法是1901年美国首先提出的，1922年使用电解质操作成功。1932年法国开发出低熔点的氟化物的混合电解质并成功地制出99.99%的精铝。日本于1941年住友化学公司独立开发氟化物电解质，开始生产制造99.99%的精铝。 我国的三层液铝电解精炼工业是在第一个五年计划期间在抚顺铝厂开始试生产，后来三

3、层液铝电解精炼槽经改进与发展，到20世纪70年代抚顺铝厂的三层液铝精炼电解槽容量已达到2.4KA，精铝生产的工艺指标较初期有了一些进步。第4页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日 此后贵州铝厂（后改为中铝公司贵州分公司）在抚顺铝厂的基础上进行改进和提高，于1974年建立了12KA三层液电解精炼铝系列，直至1990年扩建65KA槽，并于2000年投产。 新疆乌鲁木齐铝厂（后改为新疆众和铝业公司）从抚顺铝厂调入部分工程技术人员,并于1989到贵州铝厂学习，同年建设了30kA三层液铝电解精炼生产线。第5页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日1 精铝用途 随着国民经济的

4、不断发展，市场对精铝的需求量不断增加，这是由于精铝的一些特殊性质决定的：精铝比普铝具有更好的导电性、导热性、可塑性、反光性和抗腐蚀性；精铝的导磁性非常小，并且纯度越高，导磁性愈小。第6页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日 精铝及高纯铝在低温电工技术、低温电磁构件和电子工业领域内有着特殊的用途，其中电子工业生产电解电容器所消耗的精铝量约为精铝产量的7080，见4N4N6精铝的分类用量表。 目前世界上进行原铝精炼时主要采用的方法为三层液电解精炼法和偏析法，前者的提纯原理是利用熔盐电解，后者是利用凝固偏析现象。我国主要采用的是三层液电解精炼法。第7页，共35页，2022年，5月20

5、日，0点0分，星期日4N4N6精铝的分类用量表：序号项目用量（）1电容器箔782照明123硬盘44其它6第8页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日2 三层液电解精炼法原理 三层液电解精炼法是利用精铝、电解质和阳极合金的密度差形成液体分层，在直流电的作用下，熔体中发生电化学反应即阳极合金中的铝进行电化学溶解，生成Al3离子。Al3离子溶解进入电解液以后，在阴极上放电，生成金属铝。而合金中的Cu、Si、Fe等元素不溶解，在一定浓度范围内积聚在阳极合金中，这是由于其电位均正于铝。而合金中的杂质如Na、Ca、Mg进入电解液并积聚起来，在一定浓度、温度与电流密度下，这些杂质不会在阴极上放

6、电，原因是这些杂质的电位均负于铝。这样在阴极上就得到纯度较高的铝。 即在阳极： Al-3e=Al3+ 阴极： Al3+3e=Al第9页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日3 三层液电解精炼槽主要包括：阴极母线、内衬异形砖、加料室、内衬材料、阴极、精铝液、电解质、阳极、阳极合金、槽壳、阳极钢棒等。第10页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日 由上图可知，精铝槽结构与霍尔埃鲁电解槽结构大致相同，不同的是阴阳极相互倒置，槽膛内衬材质不同。用该法进行电解时，铝精炼过程在高于铝与阳极合金的熔点下进行，此时精炼槽中有三层液体：最下层为阳极合金，由原铝和加重剂铜组成；中间一层

7、为电解质；最上一层为精炼所得的精铝液。 在720800 的操作温度下，利用阳极合金、电解质以及阴极精铝间的密度差，使精炼槽中始终保持着三层液体的状态。第11页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日原铝电解铜NaClBaCl2Na3AlF6AlF3配料配料直流电阳极合金炉电解质熔化炉精铝电解槽生成气体净化处理生成气体液体精铝精铝保持炉精铝铸造机精铝锭区域熔炼炉锯切高纯铝生成合金渣及表面渣回收处理4 三层液电解生产工艺流程第12页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日5 三层液电解精炼槽的技术参数和经济指标序号项 目单 位内 容备 注1电流KA702工作电压V5.56.

8、03电解质温度7608104电解质电流密度A/cm20.570.705电解质水平cm810.56阴极铝水平cm1216出铝后7阳极合金水平cm2026加原铝前8阳极合金中Cu浓度%3040重量9阴极电流效率97%98%10电能消耗率Kw.h/kg1718(直流)1819(交流)11原材料消耗量12氯化钡Kg/t354013氟盐（按F计算）Kg/t162114石墨Kg/t121315原铝Kg/t1020103016铜Kg/t1014第13页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日6 三层液电解质 三层液铝电解法共分三层熔液体系，最上一层为精铝液，中间一层为电解质，最下一层为合金液。其

9、中中间一层电解质液分为两种：一种是霍普斯提出的，称为霍普斯液，由氟化钡组成；另一种是加代电解液，由氟化铝、氟化钠与氟化钡组成。目前，各精铝企业用的电解质液都是以这两种电解液为基础而作了一些改进。 目前，国外各精铝企业用的电解质成份有三元素的，也有四元素的（见下表）：第14页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日霍普斯Hoops 加代GadeauAIAG公司普基公司Pechiney住友铝业公司日本北川公司达莱斯公司DawlessAlF33038234830412344BaF23038_172.535_18BaCl2_60_45_55_NaF25381718_101422CaF2_1

10、72013_16MgF2_2.5_8_工作温度（）9001000750760750780800750800700730_ 熔点（）_710670_730690_第15页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日 从上表中可以看出，现行三层液铝电解精炼工业中，所使用的电解质为纯氟化物（NaF-AlF3-BaF2-CaF2)简称为纯氟系，氟氯化物（Na3AlF6-AlF3-BaCl2-NaCl)简称为氯氟系两种。目前我国的精铝生产厂几乎都采用的是氯氟系电解质。 在工业应用的范围内，虽然氯氟系电解质与纯氟系电解质相比导电性较好，熔点和密度较低，但缺点是吸水性较强，此外该电解质表面张力较小。

11、在工业电解条件下，氯氟系电解质由于水解，易产生HF和HCl气体，电解质各组分的消耗量都很大，并且易产生较多的电解质渣。第16页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日 电解质液在密度、熔点、电导率等方面满足如下要求：其密度应居阳极合金和上层铝密度之间；在电解温度下应稳定，不易挥发；电阻小；熔点比高纯铝的稍高一些，又不得相差太大；比铝的化学活性更高的金属盐；与电解槽材料的反应小。 第17页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日电解质液各组分的作用 组分 作 用BaCl2 BaF2密度大，增加BaCl2或BaF2电解质液密度上升NaF增加NaF，电解液电导率上升AlF3起

12、稳定化作用，降低电解质熔点，增加铝离子CaF2使熔点下降MgF2使熔点下降第18页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日 7 精铝质量标准 按GB86442000标准，精铝分为四个等级牌号Al不大于化学成分(%)杂质 不大于FeSiCuZnTi其他杂质含量总和Al99.99699.9960.00100.00100.00150.0010.0010.0010.004Al99.99399.9930.00150.00130.00300.0010.0010.0010.007Al99.9999.990.00300.00300.00500.0020.0020.0010.04Al99.9599.

13、950.020.020.010.0050.0020.0050.05第19页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日按YS/T665-2009标准，共分为七个等级牌号化学成分%Al不小于 杂质，不大于FeSiCuMgZnTiMnGa其它每种Al99.99599.9950.00100.00100.00150.00150.00050.00050.00070.00100.0010Al99.993A99.9930.00100.00100.00300.00200.00100.00100.00080.00100.0010Al99.99399.9930.00150.00150.00300.0025

14、0.00100.00100.00100.00120.0010Al99.99A99.9900.00100.00100.00500.00250.00100.00100.00100.00120.0010Al99.9999.9900.00300.00300.00500.00300.00100.00100.00100.00150.0010Al99.9899.9800.00700.00700.00800.00300.00150.00200.00150.00200.0030Al99.9599.9500.02000.02000.01000.00500.00200.00500.00200.00200.0100第

15、20页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日注1：铝质量分数为100%与表中所列杂质元素及质量分数等于或大于0.0010%的其它杂质实测值总和的差值，求和前各元素数值要表示到0.0 %，求和后将总和修约到0.0 %。注2：表中未规定的重金属元素铅、砷、镉、汞含量，供方可不做常规分析，每年至少检测一次，且应保证（Cd+Hg+Pb）0.0095%，As 0.0090%，其它杂质元素由供需双方协商。注3：分析数值判定采用修约比较法，按数值修约规则GB/T8170第3章的有关规定进行，修约数位表中所列极限数字一致。第21页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日8 精铝生产主

16、要技术经济指标计算方法 (1)质量指标精铝合格率 精铝合格率是指报告期精铝槽生产的合格精铝出铝量占全部精铝出铝量的百分比。计算公式如下： 精铝合格率（%）=式中：母项指报告期精铝槽全部出铝量。包括合格精铝量、不合格精铝量、精铝库存期末期初差额量整电极、残电极期末期初差额量。 精铝铸锭损失率精铝铸锭损失率（也称铸造损耗率或称火耗），是指精铝锭在铸造或二级以下精铝锭处理过程中损失的铝量，通常以千分数表示。计算公式如下：第22页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日精铝铸锭损失率（）= 式中： 精铝铸造过程金属铝消耗量在企业产品计量设施齐全的条件下，应该建立严格的精铝收、耗、存平衡和投

17、入产出平衡制度，并按下式计算： 精铝铸造过程金属铝消耗量=期初在产精铝结存量+本期精铝产量入库精铝产量期末在产精铝结存量精铝一级以上品率 精铝一级以上品率是指报告期已办理了交库手续的一级品以上精铝量占全部交库精铝量的百分比。计算公式如下： 精铝一级以上品率（%）=式中： 子项指报告期已办理了交库手续的精铝一级品以上数量。 母项指报告期已办理了交库手续的全部精铝数量。虽经检验合格已按合格品计算，但尚未办理交库手续的仍不能报交库量。第23页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日精铝特级品率 精铝特级品率是指报告期已办理了交库手续的特级品精铝数量占全部精铝交库总量的百分比。计算公式如下

18、： 精铝特级品率（%）=式中： 子项指报告期已办理了交库手续的精铝特级品数量。母项同“” (2)主要技术指标平均电流强度 平均电流强度是指通入精铝槽系列的直流电流强度的平均值。按报告期长短可分为日平均电流强度、月平均电流强度和累计平均电流强度。计算公式如下： 第24页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日 a 日平均电流强度（安）=式中： 子项直流电总量=（日交流电总量日自用电量转供电量）整流效率 母项总电压=日精铝系列平均电压（伏）24（小时） b 月(年)平均电流强度(安)=平均电压 平均电压即平均槽电压是指每个槽日的工作电压及分摊的电压平均值，它由工作电压及精铝槽间联结母线

19、电压组成。第25页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日精铝电流效率 精铝电流效率是指精铝生产中精铝实际出铝量与理论出铝量的比值。计算公式如下：精铝电流效率（%）=式中： 报告期精铝实际出铝量见产量部分的解释 报告期精铝理论出铝量=0.335524（小时）平均电流强度（安）实际生产槽昼夜106槽日产量（或称槽昼夜生产率） 槽日产量是指平均每台精铝槽一昼夜产出的精铝数量。 计算公式如下：第26页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日槽日产量（千克/槽日）=式中： 报告期精铝实际产量见产量部分解释。也可按下式计算：报告期精铝实际产量=报告期精铝出铝量合格率整流效率 整流

20、器输出的直流电量与输入的交流电量的比值叫整流效率，整流效率越高，则得到的直流电量越多，其转换损失越小。计算公式如下：整流效率（%）= 式中： 整流器输出的直流电量为表记数。 输入整流器的交流电量为供给精铝系列的交流电量。 整流效率应该经常测定，以测定值为计算依据。第27页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日(3)精铝主要原材料、能源消耗指标 精铝消耗的主要原材料有普通铝锭、氟化铝、氯化钡（或氟化钡）、氟化钙、氯化钠（或氟化钠）、冰晶石、纯铜、阴极碳块；消耗的主要能源有水、电、蒸汽等。 为了正确计算各项消耗指标，必须建立严格的盘点制度，报告期末对各项原材物料进行盘点，盘点结果作为

21、各项消耗指标的计算依据。精铝直流电单耗 精铝直流电单耗是指报告期内生产每吨精铝所消耗的直流电量。计算公式如下：精铝直流电单耗(千瓦时/吨)= 第28页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日 直流电量通常是按照电压数值分配的，系列总电压可以区分为正常生产槽电压、焙烧启动电压、熔料电压及重熔精铝电压，所以直流电量也应该依电压分解为上述部分。据此，式中： 报告期电解生产精铝消耗的直流电量=直流电总用量焙烧启动用直流电量熔料用直流电量停槽短路口用直流电量重熔精铝用直流电量 精铝交流电单耗 精铝交流电单耗是指报告期内生产每吨精铝所消耗的交流电量。计算公式如下：精铝交流电单耗(千瓦时/吨)=

22、 第29页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日式中： 报告期生产精铝消耗的交流电量=交流电总用量焙烧启动用交流电量熔料用交流电量停槽短路口用交流电量重熔精铝用交流电量注： 式中各扣减部分的口径要与精铝直流电单耗计算式的扣减部分一致。精铝普通铝锭单耗 精铝普通铝锭单耗是指报告期每吨精铝产量所消耗的普通铝锭数量。计算公式如下： 精铝普通铝锭单耗（千克/吨 ）=式中： 报告期普通铝锭消耗量=期初库存量+本期领用量期末库存量开槽用量期末、期初合金中含铝量差额第30页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日精铝纯铜单耗精铝纯铜单耗是指报告期每吨精铝产量所消耗的纯铜数量。 计算

23、公式如下： 精铝纯铜单耗（千克/吨）=式中：报告期纯铜消耗量=期初库存量+本期领用量期末库存量开槽用量期末、期初合金中含铜量差额精铝氯化钡（或氟化钡）单耗 精铝氯化钡（或氟化钡）单耗是指报告期每吨精铝产量所消耗的氯化钡（或氟化钡）数量。计算公式如下： 精铝氯化钡（或氟化钡）单耗（千克/吨） =第31页，共35页，2022年，5月20日，0点0分，星期日精铝冰晶石单耗精铝冰晶石单耗是指报告期每吨精铝产量所消耗的冰晶石数量。计算公式如下：精铝冰晶石单耗（千克/吨）=精铝氟化铝单耗 精铝氟化铝单耗是指报告期每吨精铝产量所消耗的氟化铝数量。计算公式如下：精铝氟化铝单耗（千克/吨）=精铝氯化钠（或氟化钠）单耗 精铝氯化钠（或氟化钠）单耗是指报告期每吨精铝产量所消耗的氯化钠（或氟化钠）数量。计算公式如下：精铝氯化