铝电解车间工艺设计讲解
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V效应－－效应电压；
V 槽－－槽电压； k 效应系数；
t 效应时间（min）。
槽间电压、厂房外母线分摊电压 V黑
V工作
总电压-槽工作电压总和-效应分摊电压总和 生产槽台数
17
技术经济指标
氧化铝单耗
氧化铝单耗
氧化铝消耗总量 铝产量
炭阳极单耗
炭素阳极单耗
炭素材料消耗总量 铝产量
氟化盐单耗
铝电解车间工艺设计
主要内容
概述 技术条件及技术经济指标的选择 主体设备的设计 冶金计算 车间配置
2
铝电解的基本知识
1、铝的性质与应用
密度小、导电性好,熔点 为 660.37℃ ， 万 能 金 属 绿色、低碳、节能、生态
3
一.概述
现代铝工业生产普遍采用冰晶石－ 氧化铝熔盐电解法。电解铝在熔盐电解 槽中进行，以氧化铝为原料，熔融的
6
辅助生产材料
冰晶石
Na3AlF6因外观酷似冰而得名冰晶石，分为天然冰 晶石和人造冰晶石，仅格陵兰岛有天然冰晶石，一般 用人造冰晶石。
冰晶石生产方法有：酸法、碱法、干法和磷肥副 产法等，其中酸法应用最广。
7
冰晶石-氧化铝熔体的结构
冰 晶 石
Na3AlF6是离子型化合物； 晶格以AlF63-原子团构成的立
20
主体设备的设计
图3.3 当代的预焙阳极电解槽
13
技术条件
电解质分子比
电解质中NaF与AlF3的物质的量之比称为电解质分子比，简称 分子比。目前分子比多选为2.2~2.8。
效应系数
阳极效应(简称效应)是熔盐电解过程中发生在阳极上的特殊现 象，电解槽发生效应期间其输入功率为平常的数倍，同时电解过 程基本停止，导致电解质过热，电流效率降低，并耗费大量电能， 不利于生产。某一系列电解糟平均每台电解槽每天发生阳极效应 的次数称为效应系数，是电解槽系列是否正常运行的标志。
Na3AlF6 -Al2O3为电解质。采用炭素材料
作阳极，铝液作阴极，在直流电作用下 进行电化学反应。
4
冰晶石
氧化铝
氟一化盐
炭素材料
废气
烟气
阳极气体
气体净化
载氟氧化铝
残极
直流电解
返回炭素生产线
铝液
澄清或净化
铸造
5
铝锭
原料
铝电解过程的主要原料—Al2O3 铝电解对其化学纯度要求：
比铝更正电性元素的氧化物（Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等）含量有要求
方 晶 格 为 基 础 ， 且 与 Na(1)+,
的
Na(2)+离子分别形成的两个不
晶
同尺寸的体心立方晶格相互
体
穿透形成属复式晶格；
结 晶型转变序：
构
单斜体心晶系 565℃ 立方体心
晶系 880℃ 立方晶系
8
氟化盐
氟化盐包括NaF、AlF3、CaF2和LiF等。其作用如表所示
9
炭素材料
炭素材料耐高温，抗腐蚀，导电良好，有足够的机械 强度和热稳定性。
11
电流
静电除尘器的除尘效率 可达99%以上，压力损 失小于500Pa。
12
技术条件
面积电流
设计与生产中总是取阳极面积电流作为设计与计算的基础。
电解质水平与铝水平
电解质水平是指电解槽中电解质的深度。同样，铝水平是指电 解槽中铝液的深度。电解质水平为16~22cm，铝水平为20~30cm。
极距
阳极底面与铝液镜面间的距离称为极距。通常情况下极距不小 于4cm。
V平均—电解槽的实际电压，V I—电解槽的电流，A
τ—电解时间，h 0.3356—铝的电化当量，g/(A•h)
15
槽平均电压
V平 V工作 +V效应 +V黑
V平 E0 a c I(Ra Rc Re Rx ) Ve VB
E0 为氧化铝可逆分解电压；
a 为阳极反应过电压； c 为阴极过电压；
生产炭素阳极的原料：骨料和粘接剂两部分
1、骨料----石油焦、沥青焦 对骨料的要求：
灰分含量不能过高，会因带入杂质而影响铝的质量； 硫的含量过高，易使炭素制品开裂，电阻率增高； 钒元素也会增大炭素材料的氧化活性，故其含量不宜太高。 2、粘接剂---沥青
其主要功能是粘结固体骨料，构成具有一定塑性的炭糊，并且在炭糊焦 化过程中渗入骨料之间，使阳极具有足够的机械强度。
10
技术条件及技术经济指标的选择
技术条件 电流
电流槽的大小一般称为电流槽的容量，皆以电流大小表示。 电流槽的电流反映了电流槽的单槽产能。
法 国 彼 斯 涅 公 司 对 年 铝 产 量 均 为 2 0 万 t / 年 、 分 别 采 用 180 k A 与 300kA两种容量电流槽的方案做了比较(见表8—3)。结果表明， 建一个系列240台300 kA的电流槽与建两个系列400台180kA的电 流槽相比，总投资节约15%。
；
比铝负电性元素，如碱及碱土金属等，电解时与氟化铝反应，使其损
失，分子比改变；
水分也是有害成分，分解电解质中氟化物，产生HF。
铝电解对其物理性能要求： 具有吸水性小，活性大，粒度适宜，在电解质中溶解性好等，同时要
求能够严密地覆盖阳极，以防止阳极暴露在空气中被氧化，保温性能要好。 这些性质主要取决于氧化铝晶体的晶型、粒度和几何形状。 根据氧化铝的物理性能不同，可分为砂状、粉状和中间状。
氟化盐单耗
氟化盐消耗总量 铝产量
18
主体设备的设计
上世纪60～80年代以前广为使用现仍有少量存在的侧插 阳极棒自焙阳极电解槽
19
主体设备的设计
上世纪60～80年代广为使用的上插阳极棒 自焙阳极电解槽
在上世纪60～70年代，上插棒自焙阳极电解槽在世界范围内得到了很大发展， 其电解槽的最大电流强度达到了170～180kA。
Ra 为阳极电阻； Rc 为阴极电阻； Re 为电解质电阻； Rx 为母线电阻；
Ve 为效应分摊电压；
VB 为槽间电压和电解厂房到整流所之间母线电压降的分摊电压之和。
16
槽平均电压
槽工作电压 V工作 E极化 V阳极 V电解质 V阴极 V母线
效应分摊电压 Ve来自百度文库
Ve k (V效应 V槽 ) t 24 60
14
技术经济指标
电流效率
η=(1000000Q)/(0.3356It)×100% 式中 η—电流效率，%
q—每台电解槽的铝产量，t I—系列电流，A t—电解时间，h
电能效率
电能
W理 W实
100%
IV平均 10-3 0.3356I 10-6
=2980 V平均
式中 η—电流效率，%
V 槽－－槽电压； k 效应系数；
t 效应时间（min）。
槽间电压、厂房外母线分摊电压 V黑
V工作
总电压-槽工作电压总和-效应分摊电压总和 生产槽台数
17
技术经济指标
氧化铝单耗
氧化铝单耗
氧化铝消耗总量 铝产量
炭阳极单耗
炭素阳极单耗
炭素材料消耗总量 铝产量
氟化盐单耗
铝电解车间工艺设计
主要内容
概述 技术条件及技术经济指标的选择 主体设备的设计 冶金计算 车间配置
2
铝电解的基本知识
1、铝的性质与应用
密度小、导电性好,熔点 为 660.37℃ ， 万 能 金 属 绿色、低碳、节能、生态
3
一.概述
现代铝工业生产普遍采用冰晶石－ 氧化铝熔盐电解法。电解铝在熔盐电解 槽中进行，以氧化铝为原料，熔融的
6
辅助生产材料
冰晶石
Na3AlF6因外观酷似冰而得名冰晶石，分为天然冰 晶石和人造冰晶石，仅格陵兰岛有天然冰晶石，一般 用人造冰晶石。
冰晶石生产方法有：酸法、碱法、干法和磷肥副 产法等，其中酸法应用最广。
7
冰晶石-氧化铝熔体的结构
冰 晶 石
Na3AlF6是离子型化合物； 晶格以AlF63-原子团构成的立
20
主体设备的设计
图3.3 当代的预焙阳极电解槽
13
技术条件
电解质分子比
电解质中NaF与AlF3的物质的量之比称为电解质分子比，简称 分子比。目前分子比多选为2.2~2.8。
效应系数
阳极效应(简称效应)是熔盐电解过程中发生在阳极上的特殊现 象，电解槽发生效应期间其输入功率为平常的数倍，同时电解过 程基本停止，导致电解质过热，电流效率降低，并耗费大量电能， 不利于生产。某一系列电解糟平均每台电解槽每天发生阳极效应 的次数称为效应系数，是电解槽系列是否正常运行的标志。
Na3AlF6 -Al2O3为电解质。采用炭素材料
作阳极，铝液作阴极，在直流电作用下 进行电化学反应。
4
冰晶石
氧化铝
氟一化盐
炭素材料
废气
烟气
阳极气体
气体净化
载氟氧化铝
残极
直流电解
返回炭素生产线
铝液
澄清或净化
铸造
5
铝锭
原料
铝电解过程的主要原料—Al2O3 铝电解对其化学纯度要求：
比铝更正电性元素的氧化物（Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等）含量有要求
方 晶 格 为 基 础 ， 且 与 Na(1)+,
的
Na(2)+离子分别形成的两个不
晶
同尺寸的体心立方晶格相互
体
穿透形成属复式晶格；
结 晶型转变序：
构
单斜体心晶系 565℃ 立方体心
晶系 880℃ 立方晶系
8
氟化盐
氟化盐包括NaF、AlF3、CaF2和LiF等。其作用如表所示
9
炭素材料
炭素材料耐高温，抗腐蚀，导电良好，有足够的机械 强度和热稳定性。
11
电流
静电除尘器的除尘效率 可达99%以上，压力损 失小于500Pa。
12
技术条件
面积电流
设计与生产中总是取阳极面积电流作为设计与计算的基础。
电解质水平与铝水平
电解质水平是指电解槽中电解质的深度。同样，铝水平是指电 解槽中铝液的深度。电解质水平为16~22cm，铝水平为20~30cm。
极距
阳极底面与铝液镜面间的距离称为极距。通常情况下极距不小 于4cm。
V平均—电解槽的实际电压，V I—电解槽的电流，A
τ—电解时间，h 0.3356—铝的电化当量，g/(A•h)
15
槽平均电压
V平 V工作 +V效应 +V黑
V平 E0 a c I(Ra Rc Re Rx ) Ve VB
E0 为氧化铝可逆分解电压；
a 为阳极反应过电压； c 为阴极过电压；
生产炭素阳极的原料：骨料和粘接剂两部分
1、骨料----石油焦、沥青焦 对骨料的要求：
灰分含量不能过高，会因带入杂质而影响铝的质量； 硫的含量过高，易使炭素制品开裂，电阻率增高； 钒元素也会增大炭素材料的氧化活性，故其含量不宜太高。 2、粘接剂---沥青
其主要功能是粘结固体骨料，构成具有一定塑性的炭糊，并且在炭糊焦 化过程中渗入骨料之间，使阳极具有足够的机械强度。
10
技术条件及技术经济指标的选择
技术条件 电流
电流槽的大小一般称为电流槽的容量，皆以电流大小表示。 电流槽的电流反映了电流槽的单槽产能。
法 国 彼 斯 涅 公 司 对 年 铝 产 量 均 为 2 0 万 t / 年 、 分 别 采 用 180 k A 与 300kA两种容量电流槽的方案做了比较(见表8—3)。结果表明， 建一个系列240台300 kA的电流槽与建两个系列400台180kA的电 流槽相比，总投资节约15%。
；
比铝负电性元素，如碱及碱土金属等，电解时与氟化铝反应，使其损
失，分子比改变；
水分也是有害成分，分解电解质中氟化物，产生HF。
铝电解对其物理性能要求： 具有吸水性小，活性大，粒度适宜，在电解质中溶解性好等，同时要
求能够严密地覆盖阳极，以防止阳极暴露在空气中被氧化，保温性能要好。 这些性质主要取决于氧化铝晶体的晶型、粒度和几何形状。 根据氧化铝的物理性能不同，可分为砂状、粉状和中间状。
氟化盐单耗
氟化盐消耗总量 铝产量
18
主体设备的设计
上世纪60～80年代以前广为使用现仍有少量存在的侧插 阳极棒自焙阳极电解槽
19
主体设备的设计
上世纪60～80年代广为使用的上插阳极棒 自焙阳极电解槽
在上世纪60～70年代，上插棒自焙阳极电解槽在世界范围内得到了很大发展， 其电解槽的最大电流强度达到了170～180kA。
Ra 为阳极电阻； Rc 为阴极电阻； Re 为电解质电阻； Rx 为母线电阻；
Ve 为效应分摊电压；
VB 为槽间电压和电解厂房到整流所之间母线电压降的分摊电压之和。
16
槽平均电压
槽工作电压 V工作 E极化 V阳极 V电解质 V阴极 V母线
效应分摊电压 Ve来自百度文库
Ve k (V效应 V槽 ) t 24 60
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技术经济指标
电流效率
η=(1000000Q)/(0.3356It)×100% 式中 η—电流效率，%
q—每台电解槽的铝产量，t I—系列电流，A t—电解时间，h
电能效率
电能
W理 W实
100%
IV平均 10-3 0.3356I 10-6
=2980 V平均
式中 η—电流效率，%