第二章(铝电解的原材料及能源)

现代铝电解 / 刘业翔∙ISBN：9787502445768∙出版发行：冶金工业出版社∙页码：0∙版次：-∙条码：9787502445768∙更新时间：2010-04-04∙出版时间：2008-08-01《现代铝电解》目录1 绪论1．1铝的发现和提取1．1．1铝的发现1．1．2铝电解简史1．2铝的性质和用途1．2．1铝的性质1．2．2铝的应用1．3现代铝电解的发展1．4铝电解过程描述1．5铝电解用原料与辅助原料1．5．1氧化铝1．5．2辅助原料1．5．3炭阳极参考文献附录铝的各种性质第一篇铝电解理论基础2 铝电解质及其物理化学性质2．1概述“2．1．1引言2．1．2铝电解质的性质要求2．1．3铝电解质的种类2．2铝电解质的相平衡图2．2．1 NaF-A1F3二元系相图2．2．2摩尔比CR(或质量比BR)与过剩A1F3的换算公式2．2．3Na3A1F6-AJ203系熔度图。

2．2．4 Na3A1F6的其他二元系和三元系相平衡图2．3工业铝电解质的物理化学性质2．3．1熔度(初晶温度)2．3．2电导率2．3．3密度2．3．4黏度2．3．5接触角2．3．6Na，A1F6-A12O，熔体物理化学性质的综合分析2．4低温电解质2．5铝电解质成分的改进2．5．1国外概况2．5．2国内概况参考文献3 氧化铝在电解质中的溶解及其行为3．1概述3．2氧化铝的物理性质3．3氧化铝溶解的实验室研究3．3．1细分散氧化铝的溶解3．3．2部分聚集状氧化铝的溶解3．4工业电解槽上氧化铝溶解研究3．5结壳、炉帮及沉淀3．5．1概述3．5．2结壳的生成3．5．3结壳的性质3．5．4 Al2O3及壳块的沉降与溶解3．5．5炉帮与伸腿的形成参考文献4 冰晶石．氧化铝(Na3AlF6-A12O3)系熔盐结构4．1概述4．2 NaF．AlF3系熔体结构4．2．1基于Na3AlF6热解离提出的熔体结构模型4．2．2核磁共振谱(NMR)研究提出的结构模型4．3Na3AlF6A12O3系熔体结构4．3．1热力学模型的结果4．3．2直接定氧法的结果4．3．3分子动力学模拟的结果4．3．4核磁共振谱(NMR)测定结果4．4离子实体的迁移4．5电荷迁移主体——Na参考文献5 铝电解的电极过程5．1阴极过程5．1．1铝在阴极优先析出5．1．2非正常条件下钠的析出5．1．3阴极过电压5．1．4钠析出后的行为5．1．5阴极的其他副过程5．2阳极过程5．2．1概述5．2．2阳极的原生产物5．2．3阳极过电压5．3阳极气体参考文献6 阳极效应6．1概述6．2临界电流密度6．2．1临界电流密度的概念6．2．2临界电流密度和氧化铝含量的关系6．2．3影响临界电流密度的其他因素6．2．4临界电流密度与接触角的关系6．3阳极效应时的气体分析6．4阳极效应机理6．5工业电解槽上的阳极效应6．5．1特点6．5．2起因6．5．3熄灭6．5．4预报参考文献7 铝电解中炭阳极上的电催化作用7．1概述7．1．1电催化基本概念及电催化活性的表征7．1．2铝电解惰性阳极电催化研究7．1．3铝电解掺杂炭阳极的电催化研究和应用7．2掺杂炭阳极的电催化功能7．2．1阳极电催化活性的判据7．2．2掺杂炭阳极的制备7．2．3试验测定7．2．4若干重要结果7．3掺杂炭阳极在铝电解中的其他行为参考文献8 铝在电解质中的溶解及二次反应损失8．1概述8．2铝在冰晶石．氧化铝熔盐中的溶解8．2．1溶解铝后电解质的特性8．2．2溶解金属引起的电子导电性8．3铝在冰晶石熔体中的溶解度8．4早期研究工作的若干资料8．5 CO2在冰晶石氧化铝熔体中的溶解度8．6工业电解槽上铝的溶解与损失参考文献9 铝电解的电流效率9．1概述9．1．1电流效率的定义9．1．2关于电流损失9．2工业预焙槽上的电流效率问题9．2．1提高电流效率的历史回顾9．2．2影响工业槽电流效率的因素9．3电流效率的测量9．4结语参考文献10 铝电解的理论最低能耗与节能第二篇铝电解生产工程技术第三篇铝电解计算机控制及铝厂信息化第四篇铝冶炼辅助工程与新技术附录。

电解铝生产培训教材工艺篇安全技术部第一章铝电解概述第一节铝电解发展及现状铝（Aluminium）在自然界中分布极广，地壳中铝的含量约为7.5%，仅次于氧（O）和硅（Si），居第三位，在各种金属元素当中，铝居首位。

铝的化学性质十分活泼，但是自然界中发现了少量元素状态的铝，与其他矿物共生。

含铝的矿物总计有250多种，其中主要的是铝土矿、高岭土、明矾石等。

我国开采和利用铝矿有悠久的历史，很早就开始从明矾石提取（古称矾石），供医药及工业上使用。

汉代《本草经》一书中记载了16中矿物药物，其中就包括矾石、铅丹、石灰、朴硝、磁石。

明代宋应星所著《天工开物》一书中记载了矾石的制造和用途。

金属铝最初用化学法制取。

1825年，丹麦Oersted用钾贡还原无水氯化铝，得到一种灰色的金属粉末，在研磨时呈现金属光泽，但当时未能加以鉴定。

1827年，德国Wohler 用钾（K）还原无水氯化铝，得到少量细微的金属颗粒。

1845年，他把氯化铝气体通过熔融的金属钾表面，得到金属铝珠，每颗铝珠的质量为10~15mg，于是铝的一些物理性质和化学性质得到了测定。

1854年，法国Deville用纳代替钾还原NaCl-AlCl3络合盐，制取金属铝。

钠和钾同为一价碱金属，但钠的相对原子质量比钾小，制取1Kg铝所需的钠大约是3.0~3.4Kg，而用钾大约需要5.5Kg，故用钠比较经济。

当时称铝为“铝土中的银子”1855年，Deville在巴黎世界博览会上展出了12块小铝锭，总量约为1 Kg。

1854年，在巴黎附近建成了世界上第一座炼铝厂。

1865年，俄国Beketob提议用镁还原冰晶石来生产铝。

这一方案后来在德国Gmelingen铝镁工厂里被采用。

自从1887~1888年电解法炼铝工厂开始投入生产后，化学法便渐渐停止了，在此之前的30多年内采用化学法总共生产了200T铝。

原来在采用化学法炼铝期间，德国Bunsen和法国Deville继英国Davy之后研究电解法炼铝。

有色金属行业-铝电解基础知识培训教材99铝的性质与用途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(H?C?Oersted)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(H?S?Deville)用钠还原NaCl?AlCl3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1-1。

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/cm?S?℃) 2.08(固,20℃)、2.18(固,200℃)导电系数(10-4Ω-1?cm-1) 36~37(20℃)电化学当量(g/A?h) 0.3356(A?h/g) 2.980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。

电解铝成本计算范文电解铝是一种重要的金属材料，广泛应用于航空航天、汽车、建筑、电子等领域。

电解铝的成本计算对于制定合理的价格策略和成本控制具有重要意义。

下面将从原材料、能源消耗和生产过程三个方面进行电解铝的成本计算。

1.原材料成本：电解铝的原料主要是铝氧化物，主要有氧化铝（Al2O3）。

氧化铝的价格主要受供需关系和市场波动影响，根据数据显示，目前氧化铝的价格约为2000-3000美元/吨。

以氧化铝价格为例，假设成本为2500美元/吨。

2.能源消耗成本：电解铝的生产过程需要大量的电能和热能，因此能源消耗是电解铝成本的重要组成部分。

根据数据统计，铝的电解所需的电能约为13.5-16.5千瓦时/千克铝。

同时，电解铝的生产过程还需要大量的热能，如煤炭、燃气等。

以电力和煤炭为例，假设电力价格为0.1美元/千瓦时，煤炭价格为100美元/吨。

在计算能源消耗成本时，首先需要计算电能的成本。

假设电解铝生产过程中每千克铝所需的电能为15千瓦时/千克铝，电能的成本为0.1美元/千瓦时，则每千克铝所需的电能成本为1.5美元。

进一步假设每千克铝所需的煤炭为0.5千克，煤炭价格为100美元/吨，则每千克铝所需的煤炭成本为0.05美元。

因此，每千克铝所需的能源消耗成本为1.55美元。

3.生产过程成本：除了原材料和能源消耗成本外，电解铝的生产还需要考虑其他生产成本，如人工成本、设备维护成本和管理成本等。

这些成本因企业规模、技术水平和管理水平等因素而有所不同，因此难以进行具体的定量分析。

一般来说，这些成本的占比在铝的总成本中相对较小，但仍需纳入考虑。

总结：综上所述，电解铝的成本主要包括原料成本、能源消耗成本和生产过程成本。

假设氧化铝价格为2500美元/吨，电能成本为1.5美元/千瓦时，煤炭成本为0.05美元/千克，其他生产成本为可变因素。

以每千克铝为基础进行计算，电解铝的成本约为2502.55美元/千克。

需要注意的是，以上数据仅为参考，并不代表实际情况。

铝电解用的原材料大致分三类：原料——氧化铝；熔剂——氟化盐(包括冰晶石、氟化铝、氟化钠、氟化镁、氟化钙、氟化锂等)；阳1．生产工艺(1)工艺机理铝电解工业生产采用霍尔-埃鲁冰晶石-氧化铝融盐电解法。

所谓冰晶石－氧化铝融盐就是以冰晶石为主的氟化盐作为熔剂，氧化铝为熔质组成的多相电解质体系，即为Na2AIF6-A12O3二元系和Na3AIF6-AIF3-Al2O3三元系是工业电解质的基础。

能够传导电流和在电流通过时改变自己成分的液体叫做电解质。

许多年以来，铝电解质一直以冰晶石为主体，其原因如下。

①纯冰晶石不含析出电位（放电电位）比铝更正的金属杂质（铁、硅、铜等），只要不从外界带入杂质，电解生产可以获得较纯的铝。

②冰晶石能够较好的溶解氧化铝，在电解温度950-970℃时，氧化铝在冰晶石溶液中的溶解度约为10％（质量）。

③在电解温度下，冰晶石一氧化铝熔液的密度比同温度的铝液的密度小，它浮在铝液上面，可防止铝的氧化，同时使电解质和铝很好地分离，这既有利于电解过程，又简化了电解槽结构。

④冰晶石有一定的导电能力，这样使得电解液层的电压降不至过高。

⑤冰晶石熔液在电解温度下有一定的流动性，阳极气体能够从电解液中顺利地排出，而且有利于电解液的循环，使电解液的温度和成分都比较均匀。

⑥铝在冰晶石熔液中的溶解度不大，这是提高电流效率的一个有利因素。

⑦冰晶石熔液的腐蚀性很大，但碳素材料能抗受它的侵蚀，用碳素材料作内衬建造电解槽基本上可以满足生产的要求。

⑧在熔融状态下，冰晶石基本上不吸水，挥发性也不大，这将减少物料消耗并能保证电解液成分相对稳定。

以上所述有的是冰晶石的优点，也有的是它的缺点，如纯冰晶石的熔点较高（1008.5℃），导电性能不好和腐蚀性强，以及氧化铝在其中的溶解量不大等，这些导致了熔盐电解法生产铝时电能消耗大，建设投资和生产费用高。

多年来，为了克服其缺点，促使入们去寻找能代替它的新物质，但至今尚未取得成功；同时，入们也研究使用一些添加物像氟化钙、氟化镁、氟化锂等，来改善冰晶石一氧化铝熔体的性质。