2010秋-轻合金-2-铝资源及铝冶金(2)

目前大型预焙槽系列采用横向排列，纵向排列多
用于中、小型电解槽系列。


在电解厂房内，既可设置双行，也可排成单行。
图1-9所示为电解槽系列横向双行排列，240台 电解槽分设在2个厂房中。
图1-9 电解槽系列的配置
1.


2. 2 铝电解的正常生产工艺
铝电解的正常生产及技术条件
1. 2. 2. 1

图1-14中分别列举了我国、美国和日本的原铝成 本结构。
图1-14 原铝的生产结构示意图

① 原料、材料费用：
电解铝生产所用的原材料主要包括氧化铝、氟化
盐、添加剂和碳素材料等，其费用所占原铝的成
本达50%，仅氧化铝一项就占40%。

② 电能消耗费用： 铝电解电耗很大，其吨铝电耗率达13500～ 14000 kW· h。如果将整流电能损失、动力用电以 及再熔耗电一并考虑，每吨铝电耗率就更大。据 统计，当直流电耗率为14000 kW· h时，加上上述 各项用电，总计达15340 kW· h。
造等过程。
图1-37 处理各种废铝的原则工艺流程图
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0.16
0.18
0.26
0.0l0
0.30
特二号铝
一号铝 二号铝
A0
A1 A2
99.6
99.5 99.0
0.25
0.30 0.50
0.18
0.22 0.45
0.36
0.45 0.90
0.0l0
0.0l5 0.020
0.40
0.50 1.00
三号铝
A3
98.0
1.10
1.00
1.80
0.050
2.00

但有些部门对铝的质量标准要求超过上述。 如：某些无线电器件；制造照明用的反射镜及天 文望远镜的反射镜；石油、化工机械及设备以及 食品包装材料和容器等需要精铝 (铝含量大于 99.93%～99.996%)，或高纯铝 (含铝99.999% 以上)，甚至超高纯铝 (99.9999%以上)。

阶段，电解槽的容量已发展到280 kA以上。

一百多年来，电解炼铝虽然仍旧是建立在霍尔－ 埃鲁特冰晶石－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，
并且在继续向前发展。

冰晶石－氧化铝熔盐电解法炼铝工艺 分为 两大 组成部分，即原料（包括氧化铝和电解所需的其 它原料氟化盐及碳素材料）的生产 和 金属铝的 电解生产。
过阳极输入电解槽。 它由铸铝制成，由升降机构带动上下移动，以调整 阳极的位置。


预焙槽根据加料（添加氧化铝）部位又可分为 边部加料和中间下料两种类型，后者结构示意
见图1-3。
图1-3 中间下料预焙槽结构
1 – 混凝土基础；2 – 托架(下面有绝缘体)；3 – 钢壳； 4 – 保温层；5 – 槽内衬； 6 – 打壳钢梁；7 – 槽罩；8 – 阴极棒；9 – 铝液；10 – 熔盐电解质； 11 – 阴极母线；12 – 面壳、炉帮、伸腿；13 – 阳极炭块；14 – 钢爪； 15 – 导杆；16 – 阳极母线大梁；17 – 氧化铝料斗

中间一层为电解质，密度为2.5～2.7 g· cm-3。 最上一层为精炼所得的精铝，密度为2.3 g· cm-3，它与石
墨阴极或固体铝阴极相接触，成为实际的阴极(或称阴极
熔体)。
图1-15 三层液精炼电解槽


1. 2. 3. 3
凝固提纯法制取高纯铝
根据操作特点，凝固提纯又可分为定向提纯、分步
大型不连续预焙阳极及连续预焙阳极－－中间下
料预焙阳极。

目前，电解炼铝的电解槽有两大类、四种形式。


(1) 预焙阳极电解槽
预焙阳极电解槽又可分为不连续式和连续式两
种，前者是目前铝工业采用最多的槽型。

① 不连续式预焙阳极电解槽(以下简称预焙槽)：
这是最早的铝电解槽型，在当时(1866～1900年)

它由炭阳极、阳极框套、集气罩、阳极气体燃烧器
和阳极升降机构组成。
图1-8 上部导电自焙阳极电解槽
1 - 阳极框套；2 - 集气罩；3 - 燃烧器；4 - 炭阳极； 5 - 阳极棒；6- 铝合金导杆；7 阳极母线大梁

所述四种槽型各具特点，是根据工厂实际情况选 定的。

目前，铝工业发展的主流是采用大型预焙槽。它 们的产能已占世界总产能的40%，其次是上插槽 (27%)，侧插槽约为22%。
精铝一般需通过精炼获得。 原铝精炼方法很多，主要有： 三层液精炼法 凝固提纯法 区域熔炼 有机溶液电解精炼法


1. 2. 3. 2
三层液电解精炼
三层液电解精炼是原铝精炼的主要方法。
该法于1901年由胡帕发明，因精炼体系由三层熔体组成 而得名。

阳极熔体由待精炼的原铝和加重剂(一般是铜)组成，它的 密度大(3.2～3.5 g· cm-3)而居最下层。
电解槽的电流只有4～8 kA，电流效率低(70%)， 电能消耗高(42 kW· h/kg Al)，不久便被自焙阳 极槽所取代。 但它是现代大型预焙槽的雏形。


20世纪50年代中期这种槽型东山再起。其 原因是：
a. 自焙槽难以进一步扩大阳极尺寸，不适应增大 电解槽容量的需要； b. 电极工业的发展，可以生产出大规格的炭块； c. 大功率、高效率的整流设备的出现，为增大电 流提供了条件； d. 该槽型结构简单，节约材料，特别是钢材；
这种电解槽仅在联邦德国个别厂使用，其结构如
图1-6所示。

其电流强度为110～120 kA。

这种槽型与不连续预焙槽相比，消除了残极，阳
极连续使用，无需更换阳极。

而缺点是阳极接缝处电阻大，阳极结构复杂，热
损失大，故其技术经济指标低于不连续预焙槽。
图1-6 连续预焙电解槽 1 – 阳极炭块； 2 – 阳极棒； 3 – 阳极母线； 4 – 槽壳； 5 – 炭块接缝； 6 – 阴极炭块； 7 – 保温层； 8 – 阴极棒

b. 阴极装置： 它由钢制槽壳、阴极炭块组和保温材料砌体三部分 组成。其结构示于图1-4。
图1-4 阴极装置结构示意图

c. 导电母线及其配置：

铝电解槽的导电母线系统包括阳极母线、阴极母线、
立柱母线和槽间连接母线。

它们都是用大截面的铸造铝板。


** ② 连续式预焙阳极电解槽：
(1) 铝电解槽的正常生产 铝电解槽在焙烧、启动后转入正常生产，即在额 定的电流强度下稳定地进行生产。
(2) 正常生产的技术条件

正常生产的技术条件主要包括：系列电流强度、槽 电压、电解温度、极距、电解质组成、电解质水平
（即结壳下熔体层高度）、铝水平（即槽内铝液高
度）、槽底压降以及阳极效应系数等。


1. 2. 2. 2
铝电解槽的常规作业
铝电解槽的常规作业，无论是自焙槽还是预焙槽，
其主要内容都包括有加料、出铝和阳极工作三个 部分，其具体内容依槽型不同而有所不同。


1. 2. 2. 3
铝电解槽的计算机控制
计算机在铝电解生产过程控制中运用，是铝工业发
展的一项显著成就。

如电流效率，在20世纪50～60年代一直保持在
1.


2. 3 原铝的精炼
原铝的质量
1. 2. 3. 1
Na3AlF6- Al2O3熔盐电解所得原铝的质量见表1-9。 从表中看到，原铝中金属杂质主要是 Fe、Si、Cu。
表1-9
原铝的质量标准
化学成分/ %
Al 品 级 代号 不小 于 特一号铝 A00 99.7 Fe Si
杂质含量不大于 Fe+Si Cu 杂质总和


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e. 有利于收集阳极气体，因而有利于文明生产和 环境保护。
1 – 预焙阳极；2 – 铝导杆；3 – 槽罩；4 – 阳极母线大梁

预焙槽的结构主要可分成阳极装置、阴极装置和
导电母线系统三大部分。

a. 阳极装置：

它由三个部分组成，即阳极母线大梁、阳极炭块组
和阳极升降机构。

阳极母线大梁承担着整个阳极的重量，并将电流通
部门统称为二次铝工业。


发展再生铝工业的意义主要在于：
① 大幅度降低电能消耗。 ② 大幅度节约基建费用。 ③ 大大减少环境污染，降低了环保费用。 ④ 再生铝的原料丰富、成分单纯且回收率高。


1. 2. 4. 2 再生铝生产工艺
再生铝生产工艺流程较为简单，如图1-37所示，
一般包括废铝的分类、预处理、熔炼、净化和铸

近年来新建铝厂多采用大型中间下料预焙槽。

(3) 铝电解槽系列和电解厂房

在铝电解生产中，是将许多同一类型的电解槽
串联起来，组成电解槽系列的；

电解槽系列的槽数取决于所要求的产能及电流
强度，此外，还与供电、整流的功率有关。

一个电解铝厂，可以是一个系列，也可有多个
系列。

系列中的电解槽既可横向排列，也可为纵向。

目前，对于中、小型铝厂来说，这种电解槽仍具 有投资少、见效快的优点。 其电流强度一般为60～80 kA。 铝工业最先采用的是侧部导电自焙槽，简称侧插 槽，其结构如图1-7所示。 20世纪40年代，又出现了上部导电自焙阳极槽， 简称上插槽。 上插槽较之侧插槽能进一步扩大阳极尺寸并简化 阳极操作。 这两种自焙槽的差别主要是阳极装置的不同。





① 侧插槽： 它的阳极装置由炭阳极、阳极框架以及阳极升降
机构三部分组成。
图1-7 侧部导电自焙阳极
1 – 铝箔； 2 – 阳极框架；3 – 阳极锥体(炭阳极)；4 – Al2O3料斗； 5 – 槽罩；6 – 阳极棒；7 – 阴极棒；8 – 槽钢壳

② 上插槽： 上插槽的阳极装置如图1-8所示。
提纯和区域熔炼三种方法。

**1. 2. 3. 4
有机溶液电解精炼
1.


2. 4 再生铝的生产
概述
1. 2. 4. 1
由含铝矿物通过电解或其他方法制得的金属铝称 为原铝，又称一次铝。

再生铝又称二次铝，它是由含金属铝的废旧材料
熔炼回收所得的金属铝或铝合金。

国外将废铝的收集、处理、熔炼和再生铝加工等
铝资源及铝冶金（2）
1. 2
铝冶金
1.


2. 1 铝电解生产概论
铝冶金发展概况
1. 2. 1. 1
准确地说，铝的问世应是1825年。 1866年，美国霍尔(Hall)和法国埃鲁特(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。


据英国铝厂计算表明，生产一吨原铝从铝土矿开
采到铝锭铸造，全部电耗约22800kW· h。


(2) 降低成本的途径
① 降低原材料的损失，提高原材料的质量。


② 加强生产管理，延长电解槽的有效生产时间。
③ 按大型、高效、联合的原则建设新厂和改造 旧厂。

建立联合企业，即原铝生产、加工一条龙，比原 铝输出的经济效益更大得多，至少可以降低部分 运输费和重复的税收。

(2) 自焙阳极电解槽

20世纪20年代，铝工业受到铁合金电弧炉所用自焙
电极的启发，开始采用自焙阳极。

这种阳极在电解过程中只要定期补充阳极糊，阳极
就可以连续使用。因此，省去了阳极炭块的煅烧工
序，而且没有残极需要处理，生产成本大大降低。

它与当时的小型预焙槽相比，阳极减少，操作简化； 能适应较大的电流强度，产能扩大，技术经济指标 大为改善。所以很快取代了小型多阳极预焙槽。
87%～90%，70年代末突破了90%，近年来提高到
94%～95%。

在各项条件控制达到最佳状况时，电流效率有可能 达到98%。 显然，这种最佳状况的实现，有赖于计算机的运用。


**1. 2. 2. 4
原铝生产的经济分析
(1) 原铝的生产成本分析 铝电解生产的原铝的成本，大致可归纳为三大部 分，即原材料费用、电能费以及生产管理费 等。

现代电解炼铝的工艺流程如图1-1表示。
图1-1 现代电解炼铝工艺流程


1. 2. 1. 2
铝电解槽及电解槽系列
电解槽是电解炼铝的核心设备。
一百多年来，铝电解槽的结构有了许多改进，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－－
最初 是采用小型预焙电解槽； 20世纪初叶 出现了小型侧部导电的自焙阳极 电解槽，电解槽的容量(电流强度)也逐渐由最 初的2 kA发展至50 kA或更高；

20世纪40年代 出现了上部导电的自焙阳极电 解槽。

20世纪50年代 以后，大型预焙阳极电解槽的出现， 使电解炼铝技术迈向了大型化、现代化发展的新