铝电解基础知识培训全解

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提升机构 衔架 立柱母线 打壳机构 小合卡具 铝导杆 排烟管
阳极 短路口 槽眉板 极上覆盖料 槽壳
霍尔-埃鲁法现代工业铝电解槽
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现代铝工业发展
① 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。 ② 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。 ③ 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。 ④ 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。 ⑤ 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。 ⑥ 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。
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连续预焙铝电解槽
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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
现代大型预焙铝电解槽
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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 。
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
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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。
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过磅、水份损失
？
净 化 系 统 损 失
天车加料系统
新鲜氧化铝+渣壳
氧化铝输送 过程损失
其它损失总和：<6kg。 （0.31%）
增加
氧化铝超浓相输送系统
载氟氧化铝
天车料箱
槽极上、加工面及槽 内铺底会发生变化
减少
槽上料箱
纯度98.6%， 损失：27kg。 纯 度 损 失
人工添加 氧化铝+渣壳+结壳块+脏料
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。
平均线膨胀率（10-6/℃） 线平均收缩系数（%） 电化当量（g/A•h）
（A•h/ g）
1.7～1.8（650～20℃）
0.3356 2.980
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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。
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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。
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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。
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工业铝电解槽的布置方式
⑴、纵向排列：
供 电 车 间
+
一般用于100KA以下容量的电解系列
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工业铝电解槽的布置方式
⑵、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
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现代大型预焙铝电解槽的构成
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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。
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。
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原铝需求量增长迅猛
图1-1全世界原铝年产量增长曲线
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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。
现代大型预焙铝电解槽的构成
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电解槽上部机构就位
螺旋起重机
现代大型预焙铝电解槽的构成
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现代大型预焙铝电解槽的构成
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现代大型预焙铝电解槽的构成
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现代大型预焙铝 电解槽的构成
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铝电解生产中的主要原料
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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°。
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。
6 2017/11/4
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。
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侧插式连续自焙铝电解槽
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上插式连续自焙铝电解槽
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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。
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槽型及其特点
工业铝电解槽槽型有： ① 侧插棒自焙阳极铝电解槽； ② 上插棒自焙铝电解槽； ③ 预焙阳极铝电解槽；（连续、间断）
三者各具特点。
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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。
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现代铝工业生产流程图
外部电源 供电机组 直流电 载氟氧化铝 氟化盐 氧化铝
排空
净化后 烟气
铝电解槽
阴极铝液
电解 烟气
干法净化
氧 化 铝 投 放
预焙阳极组
真空抬包
铝液保持炉
铝液铸锭
产品交库
11 2017/11/4
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2.3 g/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。
铝液铸锭(铸造车间)
13 2017/11/4
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13 kw· h.
12 2017/11/4
铝电解槽工作示意图
全公司动力(动力车间) 直流电流(动力车间) 过程自动控制 (计算机车间) 氧化铝加料(输送车间) 电解烟气净化(输送车间) 预焙阳极(阳极车间)
设备检修(检修源自文库间)
阳极运输(车队)
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)
铝液运输(车队)
槽极上、加工面及槽内铺底 飞扬损失 与理论比 （41kg） （2.124%） 氧化铝粉 5.34%
转 变 成 铝 97.88%
换极60kg 漏到楼下
2 2017/11/4
铝的性质
原子序数 相对摩尔量 13 26.98154
原子价（通常）
密度g/㎝3 比热J/g.℃ 熔点（℃） 沸点（℃） 熔化热（J/g） 导热系数（J/㎝•S•℃） 导电系数（104•Ω -1•㎝-1） 体积增长率（%）
+3 2.3（660℃）
2.699（20℃） 0.9（20℃） 659 2467 386.6 2.08（20℃固态） 2.18（200℃固态） 36～37(20℃) 6.5（由固态变为液态） 24（20～100℃）