铝电解生产原理参考课件

铝电解生产原理

12铝电解生产原理电解铝生产原理一、铝的性质和用途二、电解铝发展历程三、电解铝生产工艺流程四、电解铝基本原理五、电解铝原材料六、电解铝产量七、电解铝主要经济技术指标22022/11/24电解铝生产原理一、铝的性质和用途22022/11/23一、铝的性质和用途铝的化学性质非常活泼，与氧的亲和力很强。铝在空气中能与氧迅速化合，生成一层致密而坚硬的氧化铝薄膜，厚度为0.005～0.02μm，成为铝的天然保护层，阻止铝继续被氧化，因而具有好的抗蚀性能，还可以用阳极氧化或电镀的方法，在铝材和铝制品的表面生成彩色鲜艳的氧化膜。铝的导电、导热性好，导电率相当于国际标准退火铜的64.94％，约为银的一半，如果就相同的重量而言，铝的导电能力超过这两种金属；铝的导热性几乎比铁的导热率大3倍；铝的反光性能很强，反射紫外线比银还强，铝在碰击时不产生火花。铝的比强度(强度与重量之比)高，某些高强度铝合金的机械强度超过了结构钢；纯铝没有磁性，铝在低温下(-198℃)也不变脆，仍具有较好的机械性能；铝可以轧成薄板和箔、拉成细丝、挤压成各种复杂形状的型材，其延展性能很好。32022/11/24一、铝的性质和用途铝的化学性质非常活泼，与氧的亲和力很强。铝铝由于具有优良的物理性能，所以铝在国民经济各部门和国防工业中得到了广泛的应用。铝作为轻型结构材料，重量轻，强度大，陆、海、空各种运载工具，特别是飞机、导弹、火箭、人造卫星等，均使用大量的铝，一架超音速飞机的用铝量占其自身重量的70％，一枚导弹用铝量占其总重量的10％以上。用铝和铝合金制造的各种车辆，由于重量轻，可以减少能耗，所节省的能量远远超过炼铝时所消耗的能量。在建筑工业中用铝合金作房屋的门窗及结构材料，铝具有吸音性能，音响效果也较好，所以广播室、现代化大型建筑室内的天花板等也采用铝，用铝制作太阳能收集器，可以节省能源。在电力输送方面，铝的用量居首位，90％的高压电导线是用铝制作的。在食品工业上，从仓库储槽到罐头盒，以至饮料容器大多用铝制成。在其他方面，用铝粉作难熔金属(如钼等)的还原剂和作炼钢过程中的脱氧剂，以及日常生活中的锅、盆、匙等。42022/11/24铝由于具有优良的物理性能，所以铝在国民经济各部门和国防工业中二、电解铝发展历程铝是化学性质十分活泼的化学元素，它在自然界中绝大多数以氧化铝形式存在，目前仅有极少数的自然铝被发现以元素状态存在。铝的冶炼技术发展是从化学法制取发展到了现代应用的电解法，目前还有正在研究的溶液离子电解法。铝的发现首先是对明矾（硫酸铝）认识，在八至九世纪，明矾第一次在俄罗斯生产得到并用于染色业和用山羊皮鞣制皮革。16世纪，德国医生兼自然科学历史学家帕拉塞斯（Parace/susP.A.T.1949-1541）证实了明矾是“某种矾土盐”，其中一种成分是一种金属氧化物，后来叫做氧化铝。52022/11/24二、电解铝发展历程52022/11/231754年，德国化学家马格拉夫（Marggraf.A.S.1709-1937）能够分离“矾土”。这正是帕拉塞斯提到过的那种物质。1807年，英国的戴维才把隐藏在明矾中的金属分离出来，用电解法发现了钾和钠，却没能够分解氧化铝。即使如此，瑞典的贝采尼乌斯已为这无法获得的金属取名“铝土”。后来，戴维又改称它为铝。1808年，丹麦的Oersted用钾汞还原无水氯化铝，得到了研磨时可呈现金属光泽的粉未，后来证明他得到的是一些不纯净的铝。1827年，德国Wöhler用钾还原无水氯化铝，得到了细微的金属颗粒。1845年，他把氯化铝气体通过熔融金属钾表面，得到了金属铝。62022/11/241754年，德国化学家马格拉夫（Marggraf.A.S.11854年，法国Deville用钠还原NaCl-AlCl3络合盐，获得金属铝，同年在巴黎附近建成了世界第一个铝冶炼厂。1854年，德国Bunsen宣称利用炭电极电解NaCl-AlCl3络合盐得到了金属铝；1883年，美国Bradley提出了电解冰晶石-氧化铝熔盐技术方案，但末获得专利；1886年，美国的Hall和法国的Heroult同时申请了冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝的专利并获得批准，这便是我们所称的Hall-Heroult法。一直至今，世界上所有的铝厂都是使用此种技术。72022/11/241854年，法国Deville用钠还原NaCl-AlCl3络三、铝电解生产工艺流程自霍尔-埃鲁法熔盐法应用于电解铝生产以来，一直是工业生产金属铝的主要方法。其生产过程是：直流电通过铝电解槽，依靠电流的焦耳热使电解质融化并维持930～950℃的电解温度。直流电通过电解质使Al2O3分解，在阴极上析出铝，在阳极上析出氧并与阳极碳氧化而成CO2和CO。铝液真空抽出，经澄清净化浇铸成铝锭。阳极气体中常含有少量的有害氟化物气体和粉尘，经过净化，废气排放到大气，回收的氟化物返回到电解槽。铝电解生产工艺流程图如下图所示。82022/11/24三、铝电解生产工艺流程自霍尔-埃鲁法熔盐法应用于电解铝生产以电解铝工艺流程图92022/11/24电解铝工艺流程图92022/11/23四、电解铝基本原理目前铝工业中仍然采用熔盐电解法生产铝，其基本原理：将氧化铝溶解于冰晶石熔体中，接通直流电，在阳极和阴极上发生电化学反应，阳极上产生阳极气体，阴极上析出铝。电解铝生产铝的过程可以描述为：将固体氧化铝加入Na3AlF6熔体中，发生化学溶解，生成主要由Na+、AlxOyF2（2+2y-3x）－、AlF63－、AlF4－以及F－等离子构成的Na3AlF6-Al2O3熔体；通入直流电以后，Na3AlF6-Al2O3熔体中的阴、阳离子在电场力的作用下，分别向阳极和阴极方向迁移；阴离子到达阳极表面发生电化学反应，失去电子，生成气态物质；阳极离子到达阴极表面，发生电化学反应，获得电子，变成铝原子，从而得到液态铝。102022/11/24四、电解铝基本原理目前铝工业中仍然采用熔盐电解法生产铝，其基在冰晶石-氧化铝熔体中，阳离子有络合的Al3+和单质的Na+。在电解温度为940～970℃条件下，钠的平衡析出电位比纯铝的析出电位负250mV，因此，通上直流电以后，在阴极上的络合的Al3+放电，发生电化学反应：Al3＋（络合）＋3e﹦Al目前铝工业仍然采用活性阳极，阳极本身参与反应。在阳极炭块上是铝氧氟络合离子中的O2－放电，发生电化学反应：2O2－（络）－4e＋C﹦CO2CO2被认为是阳极第一反应产物，铝电解的结果只消耗了Al2O3和C，因此整个电解过程总反应式为：Al2O3＋1.5C﹦2Al＋1.5CO2↑112022/11/24在冰晶石-氧化铝熔体中，阳离子有络合的Al3+和单质的Na+根据铝电解的基本原理，需要为反应过程提供大量的直流电能，用以推动反应向生成铝的方向进行；随着电解反应的不断进行，炭阳极以及溶解于电解质中的氧化铝不断消耗，生产中需及时补充，使生产得以连续进行；原则上冰晶石是不消耗的，但是由于和杂质反应引起的化学损失、各种机械损失以及在电解的高温融融状态下的挥发损失，电解过程中也需要一定的补充。122022/11/24根据铝电解的基本原理，需要为反应过程提供大量的直流电能，用以五、电解铝原材料1、直流电（）2、氧化铝（）3、氟化盐（）4、阳极炭块（）132022/11/24五、电解铝原材料1、直流电（）132022/11/231、直流电直流电视电解槽生产的原动力。电解生产所需要的直流电主要来自于电力系统的三相交流电，通过降压、整流、稳流输出低电压大电流的直流电，满足电解生产的需要。在这个生产过程中对于降压的要求是降压过程中各种损耗少，对于整流的要求是整流设备运行的安全性与稳定性要求高，对于稳流的要求是电流随电压变化速度快，小时平均电流波动小，稳流精度高。所以说概括的讲电解供电主要的技术特点就是高安全性和高可靠性。142022/11/241、直流电直流电视电解槽生产的原动力。电解生产所需要的直流电电解铝企业由于采取的是24小时连续生产工作制，同时生产负荷较大，规模以上大型电解铝企业的生产负荷达到300MW～400MW，有些甚至达到500MW。一旦停电除了对于企业自身造成重大经济损失以外，可能对电网稳定性造成一定的冲击，引起电力系统震荡。152022/11/24电解铝企业由于采取的是24小时连续生产工作制，同时生产负荷较典型电解铝供电系统流程图162022/11/24典型电解铝供电系统流程图162022/11/232、氧化铝氧化铝俗称铝氧粉，分子式是AL2O3（三氧化二铝），是在专门的工厂由矿石中提炼出来的一种极细微的白色粉末，流动性很好，不溶于水，能溶解在熔盐的冰晶石中，是电解铝的主要原材料。其熔点为2050℃，真密度为3.5～3.6g/cm3，容积密度为1g/cm3。172022/11/242、氧化铝氧化铝俗称铝氧粉，分子式是AL2O3（三氧化二铝）电解生产对氧化铝的要求1）在电解质熔体中有较大的溶解速度；2）具有尽可能小的热导率，以提高槽面和阳极上面的氧化铝覆盖料的保温效果；3）具有较好的流动性能，以满足管道内输运的需要；4）具有较小的杂质含量，以便提高电解铝的质量；5）尽可能少的水分含量。6）具有较好的抗磨损性。这样可使氧化铝在管道内运输或在干法净化过程中不至于或减少被磨细的程度。7）要求氧化铝有尽可能大的比表面积，以提高其在干法净化中吸收HF的能力。182022/11/24电解生产对氧化铝的要求1）在电解质熔体中有较大的溶解速度；1氧化铝质量对电解生产的影响物理性质影响。电解铝生产要求氧化铝具有较好的物理性能。可以保证氧化铝在电解质中的溶解速度快，减少沉淀生成，流动性好，便于超浓相输送和电解槽自动添加，在加料和输送过程中飞扬损失小，可以降低氧化铝单耗，改善工作环境。另外对HF的吸附能力强，能够提高干法净化效果。在氧化铝物理性质中，粒度、磨损指数、比表面积、安息角等物理指标对电解生产有着不同的影响。192022/11/24氧化铝质量对电解生产的影响物理性质影响。电解铝生产要求氧化铝化学性质影响。氧化铝的化学性质是影响原铝质量和技术经济指标的主要因素，尽量控制较高的氧化铝纯度。工业氧化铝中通常含有98.5%Al2O3以及少量的SiO2、Fe2O3、TiO2、Na2O、CaO和H2O。在电解过程中，那些电位正于铝的元素的氧化物杂质，如SiO2和Fe2O3，都会被铝还原，还原出来的Si和Fe进入铝内，从而使铝的品位降低；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，使电解质组成发生改变并增加氟盐消耗量。水会分解冰晶石，还会增加铝液的氢含量，P2O3则会降低电流效率。酌减表示氧化铝进入电解槽之后所要释放的总水量，由于氧化铝中吸附的睡和电解质中的氟化物反应生成氟化氢气体，增加量电解槽氟化物的排放量202022/11/24化学性质影响。氧化铝的化学性质是影响原铝质量和技术经济指标的3、氟化盐电解生产过程中使用的氟化盐主要包括冰晶石和氟化铝。1）冰晶石铝电解通常采用Na3AlF6-Al2O3熔体作为电解质。由于铝对氧有很强的亲和力，目前还没有一种经济的方法能通过直接还原获得工业纯铝。通过电解法炼铝，氧化铝是最好的原料。要将氧化铝电解成铝，必须是氧化铝成为熔融状态，能够发生电离，离子能在阴、阳极电场作用下发生迁移。但是氧化铝的熔点高达2050℃，欲采用直接熔化进行电解，在目前工业条件下是不可行的。人们发现，氧化铝能部分溶解于熔点相对较低的冰晶石中，而溶解在冰晶石中的氧化铝能电解出铝。为此，Na3AlF6-Al2O3熔体可以作为铝电解的电解质。212022/11/243、氟化盐电解生产过程中使用的氟化盐主要包括冰晶石和氟化铝。冰晶石熔体作为现在铝电解的电解质，其具备了良好的性质。一是氧化铝能迅速溶解于冰晶石中，形成流动性较好的均匀溶液；二是在950℃左右的铝电解温度下具有良好的导电性能；三是Na3AlF6-Al2O3熔盐体系基本上不吸水，在电解温度下的蒸汽压也不高，具有较大的稳定性；四是冰晶石的密度约为2.1g/cm3，比同温度下的铝液密度（约2.3g/cm3）小10%左右，能够保证电解质与铝液的分层；五是熔体中基本不含还原电位比铝更正的元素，从而保证电解产物铝的纯度。222022/11/24冰晶石熔体作为现在铝电解的电解质，其具备了良好的性质。一是氧2）氟化铝为了改善电解质的性质，往冰晶石—氧化铝熔盐中添加某些能够改善它的物理化学性质和提高电解生产指标的盐类物质，这种盐类称为添加剂。在铝电解生产中，向电解质中添加添加剂，以达到提高电流效率，降低能耗的目的。目前电解生产中通常使用氟化铝作为电解生产的添加剂，既经济又实惠。232022/11/242）氟化铝232022/11/23氟化铝对电解质性质的影响1）在电解质熔体中，随着AlF3含量的增加，熔体的初晶温度降低。比如添加10%AlF3的，熔体的初晶温度降低20℃；2）在电解质熔体中，随着AlF3含量的增加，电解质的密度随之减小；3）在电解质熔体中，熔体的电导率随着AlF3含量的增加而降低；在电解质熔体中，增加AlF3的含量，则电解质粘度降低。但是在酸性电解质中，AlF3和Al2O3的共同存在对粘度的影响将不会十分明显；4）在电解质熔体中，随着AlF3含量的增加，熔体中Al2O3的溶解度随之降低；5）在电解质熔体中，添加AlF3，增大了电解质的挥发性，减小电解质与铝液的界面张力，减小电解质与阳极气体的表面张力，增大电解质与炭素材料的湿润角；242022/11/24氟化铝对电解质性质的影响242022/11/23电解生产对氟化铝质量的要求在现代铝电解生产中，对氟化铝质量要求越来越高。主要要求含水量低、颗粒粗、氟化铝含量高、流动性好、杂志低，只有这些要求达到，才能保证电解槽的技术优势。1）氟化铝尽可能减少水分的含量，以减少电解质熔体的水解；2）且具有较低的杂质含量，有利于提高原铝质量和电流效率；3）较高的氟化铝含量，保证添加效果，降低吨铝消耗量；4）具有良好的流动性和粒度，便于输送。252022/11/24电解生产对氟化铝质量的要求252022/11/23氟化铝质量对生产的影响（1）吨铝消耗量。由于氟化铝使用占据成本较小，日常多不被关注，但是通过使用不同质量的氟化铝，节能降耗是很客观的。主含量氟化铝较低的产品，其吨铝消耗量要大，一般要求氟化铝主含量应达到90%。（2）原铝质量影响。很明显，杂质含量低的氟化铝对生产影响最小。杂质含量越高，其进入原铝中杂质的量越大，铝液污染越严重，并且杂质参反应激烈，通常是二氧化硅的影响比较明显，其含量为0.1%以下为宜。（3）电流效率影响。氟化铝中的五氧化二磷是影响电流效率主要元素，在加入电解质中会一直累积，逐渐升高，造成电流效率下降。（4）环境污染。电解生产产生的氟化氢气体，是主要的气态污染物，氟化铝中的氢氟酸则是释放氟化物的主要元素；还有硫酸盐成分，将会反应生成二氧化硫有害气体；要求二者的含量尽量减少。262022/11/24氟化铝质量对生产的影响262022/11/234、阳极炭块在铝电解生产中，采用高温并具有很大腐蚀性的冰晶石-氧化铝熔盐电解，作为阴阳两极的导电材料，目前能够抵御这种侵蚀性并且价格低又能良好导电的，唯有碳素制品，因此铝工业均采用碳素电极—炭阴极和炭阳极。在电解过程中，碳阴极原则上不消耗，碳阳极由于直接参加电化学反应而消耗。272022/11/244、阳极炭块在铝电解生产中，采用高温并具有很大腐蚀性的冰晶石碳素阳极质量指标要求对预焙阳极的质量要求，首先是要求它的灰分低，灰分中的杂质少，密度大，比电阻低，气孔率低，抗热冲击性能好，抗压强度高，抗氧化性能好和具有较小的掉渣率。其次在化学成分上要求阳极炭块中杂质含量少，如铁、硅、矾、硫等氧化物含量不仅影响炭阳极的理化指标，还会在电解过程中污染原铝，造成原铝质量下降。最后是要求预焙阳极的电阻率小（约50Ω·mm2/m），能够减少电能消耗量。282022/11/24碳素阳极质量指标要求282022/11/23预焙阳极质量对生产的影响铝电解生产中，因阳极质量引起的电解槽病变、电流效率下降的情况时有发生。根据生产中的影响状况总结，可以分为以下三种情况：阳极内在质量影响生产过程阳极物理变化影响阳极缺陷影响。292022/11/24预焙阳极质量对生产的影响292022/11/23（1）阳极内在质量影响。阳极炭块要求它的灰分低，这是因为阳极炭素中的伴生金属会在铝之前先被还原，从而会进入铝内，使原铝的质量蒙受影响。所以在炭阳极生产上，都采用低灰分焦种。生产碳素阳极的石油焦中均含有S、V、Ni、Si、Fe、AI、Na、Ca、Mg、P等杂质，对原铝质量有直接影响的杂质有V、Si、Fe等，因此碳素阳极的杂质含量因给予要求。一般行业要求钒（V）不大于0.015%；硅（Si）不大于0.08%；铁（Fe）不大于0.08%。碳素阳极是以石油焦、沥青焦为骨料，煤沥青为黏结剂而制成，在电解过程中会参与反应而逐渐消耗，由于碳素阳极生产条件的差异，碳阳极在电解槽上会出现氧化、掉渣的现象对电解生产带来不良的影响，不但会使电解质含碳量增加，降低电流效率、增大工人劳动强度而且会使碳耗增加影响经济效益。302022/11/24（1）阳极内在质量影响。阳极炭块要求它的灰分低，这是因为阳极（2）生产过程阳极物理变化影响。在电解铝生产当中，阳极炭块发生物理变化，主要包括了阳极炭块氧化掉渣、高温冲击炸裂掉块。发生物理变化对电解槽工作产生以下影响：1）使电解质电阻升高2）使阳极电流密度增加，炭阳极发热，由于掉渣掉块，缩小了阳极的导电面积，电极电阻升高，导致阳极发热，钢爪发红。3）使电解质温度升高，产生热槽，炭渣累积，电解质电阻大，槽电压升高，热收入增加，逐步形成热槽。4）发生阳极长包和侧部漏电。较多的炭渣聚集在一起，在侧部使炉帮不易形成和保持，聚集在角部和阳极下的炭渣过多导致阳极长包。5）一旦出现阳极掉块掉渣，必须要进行人工打捞，需要在电解槽角部边部开口捞取，耗费较大的工作量。312022/11/24（2）生产过程阳极物理变化影响。在电解铝生产当中，阳极炭块发（3）阳极缺陷影响。阳极缺陷是生产中不符合标准的次品，其实也属于阳极质量的范畴。这些不符合标准的阳极炭块应用到电解生产上，会产生以下影响：1）使用均质性差的阳极，在电解过程中将导致电流分布不均，阳极消耗不均，使阳极出现长包或者不消耗等异常现象。2）阳极的孔隙大，其抗氧化能力降低，对二氧化碳的反应性增加，导致炭渣增多，炭耗增加，电流效率下降，3）表面氧化的阳极，由于便面疏松和表面积缩小，导致炭渣增多和阳极电流密度增大；另外是表面结焦的阳极产生的炭渣量也会很多。4）使用裂纹的阳极，由于裂纹的长短、深浅、方向不同，对电解造成的影响也不同；裂纹短、浅，在使用过程中会导致炭渣增多和掉碎块裂纹长切身，若是纵向李文，将导致阳极裂开，阳极压降升高，甚至造成掉块或阳极脱落；若是横向裂纹，将产生掉块会阳极断层，严重影响电解生产。322022/11/24（3）阳极缺陷影响。阳极缺陷是生产中不符合标准的次品，其实也综上所述，阳极炭块质量对铝电解生产影响甚大。阳极质量出现问题首先导致电解质成分和阳极电流分布发生变化，然后破坏技术条件，最后形成病槽。所以，把握阳极炭块质量，控制原材料质量，对铝电解生产的经济指标意义很大。332022/11/24综上所述，阳极炭块质量对铝电解生产影响甚大。阳极质量出现问题六、电解铝产量1、电解槽出铝量电解槽出铝量是指从电解槽内吸出供铸造用的铝液的重量，习惯上称作出铝量。2、电解铝液产量电解铝液产量，是铝电解槽实际产出的计入电流效率的金属铝量。铝液产量是电解铝生产管理上一个极为重要的产量指标，是计算一系列技术经济指标的基础。342022/11/24六、电解铝产量1、电解槽出铝量342022/11/233、铝产量铝产量是指经过铸造成型符合产品质量标准并办理了入库手续的商品产量的数量，计算单位是吨。4、铝液产量与电解铝产量的关系当报告期生产的铝液铸造时，原铝产量与铝业产量的差值及铸造损失量。铸造损失量的大小视其品种、工艺决定。352022/11/243、铝产量352022/11/23七、电解铝主要经济技术指标一、主要技术指标1、生产槽日一台电解槽工作一昼夜叫做一个生产槽日。2、平均生产槽平均生产槽是指报告期内平均每日的生产槽台数3、槽日产量槽日产量是指平均每台电解槽一昼夜产出的原铝数量在编制生产计划或进行统计预测是，槽日产量可按下公式计算槽日产量（kg/槽日）=0.3355×24（h）×平均电流强度×电流效率×10－3362022/11/24七、电解铝主要经济技术指标一、主要技术指标362022/114、平均电流强度平均电流强度是指通入铝电解槽直流电流强度的平均值。按照报告期长度，分为日平均电流强度、月（年）平均电流强度5、铝液电流效率铝液电流效率是指铝电解生产中原铝的实际产量与理论产量的比值，以百分数表示。计算公式为：铝液理论产量（t）=0.3355×24（h）×平均电流强度（A）×生产槽日（个）×10－6372022/11/244、平均电流强度372022/11/236、效应系数阳极效应是电解生产中一种特殊现象，当电解质中氧化铝浓度低于一定值时，则在阳极上发生阳极效应。阳极效应系数是指在铝电解生产过程中，平均每个槽日发生阳极效应的次数，计算公式为：7、工作电压工作电压即净电压，指电解槽槽控机上得伏特指示计上所指示的电压值。工作电压不含公共联接母线分摊电压和效应分摊电压。计算公式如下：382022/11/246、效应系数382022/11/238、平均电压平均电压是指每个槽日的工作电压及分摊的电压的平均值。它由工作电压、公共联接母线分摊电压和效应分摊电压组成。9、铝水平铝水平是指电解槽内经常保留的具有一定高度的铝液。铝水平的保持高度视槽型、电流强度以及工艺条件而定。统计时按照实测值。10、电解质水平电解质水平是指和铝液同时存在电解槽内，经常保留的具有一定高度的电解液。电解质溶液起着融化氧化铝的作用。统计时按照电解质水平实测值。392022/11/248、平均电压392022/11/2311、分子比所谓分子比就是电解质中的氟化钠对氟化铝分子数之比的简称。统计时，电解质的分子比按照化验结果。12、大修电解槽寿命大修电解槽寿命是指一台电解槽从焙烧启动到停槽大修整个生产运行阶段的时间。402022/11/2411、分子比402022/11/23二、主要原材料、能源消耗指标1、氧化铝单耗氧化铝单耗是指报告期内生产每吨铝液所消耗的氧化铝量。公式为：2、阳极炭块毛耗阳极炭块毛耗是指报告期内生产每吨铝液所消耗的阳极炭块量。计算公式为：412022/11/24二、主要原材料、能源消耗指标412022/11/233、阳极炭块净耗阳极炭块净耗指报告期内生产每吨铝液所消耗的阳极炭块净耗量。计算公式为：4、氟化盐单耗氟化盐为冰晶石、氟化铝的消耗总称。氟化盐单耗是指报告期内每吨铝液消耗的氟化盐量，计算公式为：422022/11/243、阳极炭块净耗422022/11/235、铝液直流电单耗铝液直流电单耗是指报告期内生产每吨铝液所消耗的直流电量。计算公式如下：6、铝液交流电单耗铝液交流电单耗指生产每吨铝液消耗的交流电量，既反映电解槽的技术状况和工艺操作水平，又反映整流效率。计算公式为：432022/11/245、铝液直流电单耗432022/11/237、电解铝综合交流电耗电解铝综合交流电耗是以单位产量表示的综合交流电消耗量。计算公式为：442022/11/247、电解铝综合交流电耗442022/11/23谢谢！452022/11/24谢谢！452022/11/23铝电解生产原理

462铝电解生产原理电解铝生产原理一、铝的性质和用途二、电解铝发展历程三、电解铝生产工艺流程四、电解铝基本原理五、电解铝原材料六、电解铝产量七、电解铝主要经济技术指标472022/11/24电解铝生产原理一、铝的性质和用途22022/11/23一、铝的性质和用途铝的化学性质非常活泼，与氧的亲和力很强。铝在空气中能与氧迅速化合，生成一层致密而坚硬的氧化铝薄膜，厚度为0.005～0.02μm，成为铝的天然保护层，阻止铝继续被氧化，因而具有好的抗蚀性能，还可以用阳极氧化或电镀的方法，在铝材和铝制品的表面生成彩色鲜艳的氧化膜。铝的导电、导热性好，导电率相当于国际标准退火铜的64.94％，约为银的一半，如果就相同的重量而言，铝的导电能力超过这两种金属；铝的导热性几乎比铁的导热率大3倍；铝的反光性能很强，反射紫外线比银还强，铝在碰击时不产生火花。铝的比强度(强度与重量之比)高，某些高强度铝合金的机械强度超过了结构钢；纯铝没有磁性，铝在低温下(-198℃)也不变脆，仍具有较好的机械性能；铝可以轧成薄板和箔、拉成细丝、挤压成各种复杂形状的型材，其延展性能很好。482022/11/24一、铝的性质和用途铝的化学性质非常活泼，与氧的亲和力很强。铝铝由于具有优良的物理性能，所以铝在国民经济各部门和国防工业中得到了广泛的应用。铝作为轻型结构材料，重量轻，强度大，陆、海、空各种运载工具，特别是飞机、导弹、火箭、人造卫星等，均使用大量的铝，一架超音速飞机的用铝量占其自身重量的70％，一枚导弹用铝量占其总重量的10％以上。用铝和铝合金制造的各种车辆，由于重量轻，可以减少能耗，所节省的能量远远超过炼铝时所消耗的能量。在建筑工业中用铝合金作房屋的门窗及结构材料，铝具有吸音性能，音响效果也较好，所以广播室、现代化大型建筑室内的天花板等也采用铝，用铝制作太阳能收集器，可以节省能源。在电力输送方面，铝的用量居首位，90％的高压电导线是用铝制作的。在食品工业上，从仓库储槽到罐头盒，以至饮料容器大多用铝制成。在其他方面，用铝粉作难熔金属(如钼等)的还原剂和作炼钢过程中的脱氧剂，以及日常生活中的锅、盆、匙等。492022/11/24铝由于具有优良的物理性能，所以铝在国民经济各部门和国防工业中二、电解铝发展历程铝是化学性质十分活泼的化学元素，它在自然界中绝大多数以氧化铝形式存在，目前仅有极少数的自然铝被发现以元素状态存在。铝的冶炼技术发展是从化学法制取发展到了现代应用的电解法，目前还有正在研究的溶液离子电解法。铝的发现首先是对明矾（硫酸铝）认识，在八至九世纪，明矾第一次在俄罗斯生产得到并用于染色业和用山羊皮鞣制皮革。16世纪，德国医生兼自然科学历史学家帕拉塞斯（Parace/susP.A.T.1949-1541）证实了明矾是“某种矾土盐”，其中一种成分是一种金属氧化物，后来叫做氧化铝。502022/11/24二、电解铝发展历程52022/11/231754年，德国化学家马格拉夫（Marggraf.A.S.1709-1937）能够分离“矾土”。这正是帕拉塞斯提到过的那种物质。1807年，英国的戴维才把隐藏在明矾中的金属分离出来，用电解法发现了钾和钠，却没能够分解氧化铝。即使如此，瑞典的贝采尼乌斯已为这无法获得的金属取名“铝土”。后来，戴维又改称它为铝。1808年，丹麦的Oersted用钾汞还原无水氯化铝，得到了研磨时可呈现金属光泽的粉未，后来证明他得到的是一些不纯净的铝。1827年，德国Wöhler用钾还原无水氯化铝，得到了细微的金属颗粒。1845年，他把氯化铝气体通过熔融金属钾表面，得到了金属铝。512022/11/241754年，德国化学家马格拉夫（Marggraf.A.S.11854年，法国Deville用钠还原NaCl-AlCl3络合盐，获得金属铝，同年在巴黎附近建成了世界第一个铝冶炼厂。1854年，德国Bunsen宣称利用炭电极电解NaCl-AlCl3络合盐得到了金属铝；1883年，美国Bradley提出了电解冰晶石-氧化铝熔盐技术方案，但末获得专利；1886年，美国的Hall和法国的Heroult同时申请了冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝的专利并获得批准，这便是我们所称的Hall-Heroult法。一直至今，世界上所有的铝厂都是使用此种技术。522022/11/241854年，法国Deville用钠还原NaCl-AlCl3络三、铝电解生产工艺流程自霍尔-埃鲁法熔盐法应用于电解铝生产以来，一直是工业生产金属铝的主要方法。其生产过程是：直流电通过铝电解槽，依靠电流的焦耳热使电解质融化并维持930～950℃的电解温度。直流电通过电解质使Al2O3分解，在阴极上析出铝，在阳极上析出氧并与阳极碳氧化而成CO2和CO。铝液真空抽出，经澄清净化浇铸成铝锭。阳极气体中常含有少量的有害氟化物气体和粉尘，经过净化，废气排放到大气，回收的氟化物返回到电解槽。铝电解生产工艺流程图如下图所示。532022/11/24三、铝电解生产工艺流程自霍尔-埃鲁法熔盐法应用于电解铝生产以电解铝工艺流程图542022/11/24电解铝工艺流程图92022/11/23四、电解铝基本原理目前铝工业中仍然采用熔盐电解法生产铝，其基本原理：将氧化铝溶解于冰晶石熔体中，接通直流电，在阳极和阴极上发生电化学反应，阳极上产生阳极气体，阴极上析出铝。电解铝生产铝的过程可以描述为：将固体氧化铝加入Na3AlF6熔体中，发生化学溶解，生成主要由Na+、AlxOyF2（2+2y-3x）－、AlF63－、AlF4－以及F－等离子构成的Na3AlF6-Al2O3熔体；通入直流电以后，Na3AlF6-Al2O3熔体中的阴、阳离子在电场力的作用下，分别向阳极和阴极方向迁移；阴离子到达阳极表面发生电化学反应，失去电子，生成气态物质；阳极离子到达阴极表面，发生电化学反应，获得电子，变成铝原子，从而得到液态铝。552022/11/24四、电解铝基本原理目前铝工业中仍然采用熔盐电解法生产铝，其基在冰晶石-氧化铝熔体中，阳离子有络合的Al3+和单质的Na+。在电解温度为940～970℃条件下，钠的平衡析出电位比纯铝的析出电位负250mV，因此，通上直流电以后，在阴极上的络合的Al3+放电，发生电化学反应：Al3＋（络合）＋3e﹦Al目前铝工业仍然采用活性阳极，阳极本身参与反应。在阳极炭块上是铝氧氟络合离子中的O2－放电，发生电化学反应：2O2－（络）－4e＋C﹦CO2CO2被认为是阳极第一反应产物，铝电解的结果只消耗了Al2O3和C，因此整个电解过程总反应式为：Al2O3＋1.5C﹦2Al＋1.5CO2↑562022/11/24在冰晶石-氧化铝熔体中，阳离子有络合的Al3+和单质的Na+根据铝电解的基本原理，需要为反应过程提供大量的直流电能，用以推动反应向生成铝的方向进行；随着电解反应的不断进行，炭阳极以及溶解于电解质中的氧化铝不断消耗，生产中需及时补充，使生产得以连续进行；原则上冰晶石是不消耗的，但是由于和杂质反应引起的化学损失、各种机械损失以及在电解的高温融融状态下的挥发损失，电解过程中也需要一定的补充。572022/11/24根据铝电解的基本原理，需要为反应过程提供大量的直流电能，用以五、电解铝原材料1、直流电（）2、氧化铝（）3、氟化盐（）4、阳极炭块（）582022/11/24五、电解铝原材料1、直流电（）132022/11/231、直流电直流电视电解槽生产的原动力。电解生产所需要的直流电主要来自于电力系统的三相交流电，通过降压、整流、稳流输出低电压大电流的直流电，满足电解生产的需要。在这个生产过程中对于降压的要求是降压过程中各种损耗少，对于整流的要求是整流设备运行的安全性与稳定性要求高，对于稳流的要求是电流随电压变化速度快，小时平均电流波动小，稳流精度高。所以说概括的讲电解供电主要的技术特点就是高安全性和高可靠性。592022/11/241、直流电直流电视电解槽生产的原动力。电解生产所需要的直流电电解铝企业由于采取的是24小时连续生产工作制，同时生产负荷较大，规模以上大型电解铝企业的生产负荷达到300MW～400MW，有些甚至达到500MW。一旦停电除了对于企业自身造成重大经济损失以外，可能对电网稳定性造成一定的冲击，引起电力系统震荡。602022/11/24电解铝企业由于采取的是24小时连续生产工作制，同时生产负荷较典型电解铝供电系统流程图612022/11/24典型电解铝供电系统流程图162022/11/232、氧化铝氧化铝俗称铝氧粉，分子式是AL2O3（三氧化二铝），是在专门的工厂由矿石中提炼出来的一种极细微的白色粉末，流动性很好，不溶于水，能溶解在熔盐的冰晶石中，是电解铝的主要原材料。其熔点为2050℃，真密度为3.5～3.6g/cm3，容积密度为1g/cm3。622022/11/242、氧化铝氧化铝俗称铝氧粉，分子式是AL2O3（三氧化二铝）电解生产对氧化铝的要求1）在电解质熔体中有较大的溶解速度；2）具有尽可能小的热导率，以提高槽面和阳极上面的氧化铝覆盖料的保温效果；3）具有较好的流动性能，以满足管道内输运的需要；4）具有较小的杂质含量，以便提高电解铝的质量；5）尽可能少的水分含量。6）具有较好的抗磨损性。这样可使氧化铝在管道内运输或在干法净化过程中不至于或减少被磨细的程度。7）要求氧化铝有尽可能大的比表面积，以提高其在干法净化中吸收HF的能力。632022/11/24电解生产对氧化铝的要求1）在电解质熔体中有较大的溶解速度；1氧化铝质量对电解生产的影响物理性质影响。电解铝生产要求氧化铝具有较好的物理性能。可以保证氧化铝在电解质中的溶解速度快，减少沉淀生成，流动性好，便于超浓相输送和电解槽自动添加，在加料和输送过程中飞扬损失小，可以降低氧化铝单耗，改善工作环境。另外对HF的吸附能力强，能够提高干法净化效果。在氧化铝物理性质中，粒度、磨损指数、比表面积、安息角等物理指标对电解生产有着不同的影响。642022/11/24氧化铝质量对电解生产的影响物理性质影响。电解铝生产要求氧化铝化学性质影响。氧化铝的化学性质是影响原铝质量和技术经济指标的主要因素，尽量控制较高的氧化铝纯度。工业氧化铝中通常含有98.5%Al2O3以及少量的SiO2、Fe2O3、TiO2、Na2O、CaO和H2O。在电解过程中，那些电位正于铝的元素的氧化物杂质，如SiO2和Fe2O3，都会被铝还原，还原出来的Si和Fe进入铝内，从而使铝的品位降低；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，使电解质组成发生改变并增加氟盐消耗量。水会分解冰晶石，还会增加铝液的氢含量，P2O3则会降低电流效率。酌减表示氧化铝进入电解槽之后所要释放的总水量，由于氧化铝中吸附的睡和电解质中的氟化物反应生成氟化氢气体，增加量电解槽氟化物的排放量652022/11/24化学性质影响。氧化铝的化学性质是影响原铝质量和技术经济指标的3、氟化盐电解生产过程中使用的氟化盐主要包括冰晶石和氟化铝。1）冰晶石铝电解通常采用Na3AlF6-Al2O3熔体作为电解质。由于铝对氧有很强的亲和力，目前还没有一种经济的方法能通过直接还原获得工业纯铝。通过电解法炼铝，氧化铝是最好的原料。要将氧化铝电解成铝，必须是氧化铝成为熔融状态，能够发生电离，离子能在阴、阳极电场作用下发生迁移。但是氧化铝的熔点高达2050℃，欲采用直接熔化进行电解，在目前工业条件下是不可行的。人们发现，氧化铝能部分溶解于熔点相对较低的冰晶石中，而溶解在冰晶石中的氧化铝能电解出铝。为此，Na3AlF6-Al2O3熔体可以作为铝电解的电解质。662022/11/243、氟化盐电解生产过程中使用的氟化盐主要包括冰晶石和氟化铝。冰晶石熔体作为现在铝电解的电解质，其具备了良好的性质。一是氧化铝能迅速溶解于冰晶石中，形成流动性较好的均匀溶液；二是在950℃左右的铝电解温度下具有良好的导电性能；三是Na3AlF6-Al2O3熔盐体系基本上不吸水，在电解温度下的蒸汽压也不高，具有较大的稳定性；四是冰晶石的密度约为2.1g/cm3，比同温度下的铝液密度（约2.3g/cm3）小10%左右，能够保证电解质与铝液的分层；五是熔体中基本不含还原电位比铝更正的元素，从而保证电解产物铝的纯度。672022/11/24冰晶石熔体作为现在铝电解的电解质，其具备了良好的性质。一是氧2）氟化铝为了改善电解质的性质，往冰晶石—氧化铝熔盐中添加某些能够改善它的物理化学性质和提高电解生产指标的盐类物质，这种盐类称为添加剂。在铝电解生产中，向电解质中添加添加剂，以达到提高电流效率，降低能耗的目的。目前电解生产中通常使用氟化铝作为电解生产的添加剂，既经济又实惠。682022/11/242）氟化铝232022/11/23氟化铝对电解质性质的影响1）在电解质熔体中，随着AlF3含量的增加，熔体的初晶温度降低。比如添加10%AlF3的，熔体的初晶温度降低20℃；2）在电解质熔体中，随着AlF3含量的增加，电解质的密度随之减小；3）在电解质熔体中，熔体的电导率随着AlF3含量的增加而降低；在电解质熔体中，增加AlF3的含量，则电解质粘度降低。但是在酸性电解质中，AlF3和Al2O3的共同存在对粘度的影响将不会十分明显；4）在电解质熔体中，随着AlF3含量的增加，熔体中Al2O3的溶解度随之降低；5）在电解质熔体中，添加AlF3，增大了电解质的挥发性，减小电解质与铝液的界面张力，减小电解质与阳极气体的表面张力，增大电解质与炭素材料的湿润角；692022/11/24氟化铝对电解质性质的影响242022/11/23电解生产对氟化铝质量的要求在现代铝电解生产中，对氟化铝质量要求越来越高。主要要求含水量低、颗粒粗、氟化铝含量高、流动性好、杂志低，只有这些要求达到，才能保证电解槽的技术优势。1）氟化铝尽可能减少水分的含量，以减少电解质熔体的水解；2）且具有较低的杂质含量，有利于提高原铝质量和电流效率；3）较高的氟化铝含量，保证添加效果，降低吨铝消耗量；4）具有良好的流动性和粒度，便于输送。702022/11/24电解生产对氟化铝质量的要求252022/11/23氟化铝质量对生产的影响（1）吨铝消耗量。由于氟化铝使用占据成本较小，日常多不被关注，但是通过使用不同质量的氟化铝，节能降耗是很客观的。主含量氟化铝较低的产品，其吨铝消耗量要大，一般要求氟化铝主含量应达到90%。（2）原铝质量影响。很明显，杂质含量低的氟化铝对生产影响最小。杂质含量越高，其进入原铝中杂质的量越大，铝液污染越严重，并且杂质参反应激烈，通常是二氧化硅的影响比较明显，其含量为0.1%以下为宜。（3）电流效率影响。氟化铝中的五氧化二磷是影响电流效率主要元素，在加入电解质中会一直累积，逐渐升高，造成电流效率下降。（4）环境污染。电解生产产生的氟化氢气体，是主要的气态污染物，氟化铝中的氢氟酸则是释放氟化物的主要元素；还有硫酸盐成分，将会反应生成二氧化硫有害气体；要求二者的含量尽量减少。712022/11/24氟化铝质量对生产的影响262022/11/234、阳极炭块在铝电解生产中，采用高温并具有很大腐蚀性的冰晶石-氧化铝熔盐电解，作为阴阳两极的导电材料，目前能够抵御这种侵蚀性并且价格低又能良好导电的，唯有碳素制品，因此铝工业均采用碳素电极—炭阴极和炭阳极。在电解过程中，碳阴极原则上不消耗，碳阳极由于直接参加电化学反应而消耗。722022/11/244、阳极炭块在铝电解生产中，采用高温并具有很大腐蚀性的冰晶石碳素阳极质量指标要求对预焙阳极的质量要求，首先是要求它的灰分低，灰分中的杂质少，密度大，比电阻低，气孔率低，抗热冲击性能好，抗压强度高，抗氧化性能好和具有较小的掉渣率。其次在化学成分上要求阳极炭块中杂质含量少，如铁、硅、矾、硫等氧化物含量不仅影响炭阳极的理化指标，还会在电解过程中污染原铝，造成原铝质量下降。最后是要求预焙阳极的电阻率小（约50Ω·mm2/m），能够减少电能消耗量。732022/11/24碳素阳极质量指标要求282022/11/23预焙阳极质量对生产的影响铝电解生产中，因阳极质量引起的电解槽病变、电流效率下降的情况时有发生。根据生产中的影响状况总结，可以分为以下三种情况：阳极内在质量影响生产过程阳极物理变化影响阳极缺陷影响。742022/11/24预焙阳极质量对生产的影响292022/11/23（1）阳极内在质量影响。阳极炭块要求它的灰分低，这是因为阳极炭素中的伴生金属会在铝之前先被还原，从而会进入铝内，使原铝的质量蒙受影响。所以在炭阳极生产上，都采用低灰分焦种。生产碳素阳极的石油焦中均含有S、V、Ni、Si、Fe、AI、Na、Ca、Mg、P等杂质，对原铝质量有直接影响的杂质有V、Si、Fe等，因此碳素阳极的杂质含量因给予要求。一般行业要求钒（V）不大于0.015%；硅（Si）不大于0.08%；铁（Fe）不大于0.08%。碳素阳极是以石油焦、沥青焦为骨料，煤沥青为黏结剂而制成，在电解过程中会参与反应而逐渐消耗，由于碳素阳极生产条件的差异，碳阳极在电解槽上会出现氧化、掉渣的现象对电解生产带来不良的影响，不但会使电解质含碳量增加，降低电流效率、增大工人劳动强度而且会使碳耗增加影响经济效益。752022/11/24（1）阳极内在质量影响。阳极炭块要求它的灰分低，这是因为阳极（2）生产过程阳极物理变化影响。在电解铝生产当中，阳极炭块发生物理变化，主要包括了阳极炭块氧化掉渣、高温冲击炸裂掉块。发生物理变化对电解槽工作产生以下影响：1）使电解质电阻升高2）使阳极电流密度增加，炭阳极发热，由于掉渣掉块，缩小了阳极的导电面积，电极电阻升高，导致阳极发热，钢爪发红。3）使电解质温度升高，产生热槽，炭渣累积，电解质电阻大，槽电压升高，热收入增加，逐步形成热槽。4）发生阳极长包和侧部漏电。较多的炭渣聚集在一起，在侧部使炉帮不易形成和保持，聚集在角部和阳极下的炭渣过多导致阳极长包。5）一旦出现阳极掉块掉渣，必须要进行人工打捞，需要在电解槽角部边部开口捞取，耗费较大的工作量。762022/11/24（2）生产过程阳极物理变化影响。在电解铝生产当中，阳极炭块发（3）阳极缺陷影响。阳极缺陷是生产中不符合标准的次品，其实也属于阳极质量的范畴。这些不符合标准的阳极炭块应用到电解生产上，会产生以下影响：1）使用均质性差的阳极，在电解过程中将导致电流分布不均，阳极消耗不均，使阳极出现长包或者不消耗等异常现象。2）阳极的孔隙大，其抗氧化能力降低，对二氧化碳的反应性增加，导致炭渣增多，炭耗增加，电流效率下降，3）表面氧化的阳极，由于便面疏松和表面积缩小，导致炭渣增多和阳极电流密度增大；另外是表面结焦的阳极产生的炭渣量也会很多。4）使用裂纹的阳极，由于裂纹的长短、深浅、方向不同，对电解造成的影响也不同；裂纹短、浅，在使用过程中会导致炭渣增多和掉碎块裂纹长切身，若是纵向李文，将导致阳极裂开，阳极压降升高，甚至造成掉块或阳极脱落；若是横向