铝电解基础知识培训教材

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立柱母线 打壳机构
衔架
提升机构
铝导杆
排烟管
小合卡具
短路口
槽眉板
阳极 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。
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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)
设备检修(检修车间)
电解槽控制与维护 (电解车间)
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)
阳极运输(车队)
原铝、成品铝分析流 程检查(质量管理部)
铝液运输(车队)
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现代铝工业生产流程图 排空
外部电源 载氟氧化铝 氟化盐
供电机组
直流电
铝电解槽
预焙阳极组
阴极铝液
氧化铝
净化后 烟气
电解 烟气
干法净化
氧 化 铝 投 放
真空抬包
铝液保持炉 铝液铸锭
产品交库
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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。
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。
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。
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。
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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。
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。
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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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。
导电系数(104•Ω-1•㎝-1) 体积增长率(%)
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)
13 26.98154
+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℃) 1.7~1.8(650~20℃) 0.3356 2.980
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 。
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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。
铝液铸锭(铸造车间)
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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
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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°。
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
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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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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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铝的性质
原子序数 相对摩尔量 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•℃)
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。
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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。
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
以上,电流效率94%-95%,公斤铝电耗达到13 kw·h.
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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。
氧化铝+渣壳+结壳块+脏料
飞扬损失
与理论比




成 换极60kg 带


(41kg) (2.124%)
氧化铝粉
97.88%
漏到楼下
5.34%
回收95%,损失: 3kg。(0.16%)
氧化铝平衡示意图
回收95%,损失: 5kg。(0.26%) 结壳块
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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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。
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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
21 2020/12/9
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。
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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。
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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过磅、水份损失

天车加料系统
氧化铝输送
过程损失
氧化铝超浓相输送系统
其它损失总和:<6kg。 (0.31%)
载氟氧化铝
增加
槽极上、加工面及槽
净 化 系 统 损 失
槽上料箱
内铺底会发生变化
减少
新鲜氧化铝+渣壳
天车料箱
纯度98.6%,
损失:27kg。 纯 度 损 失
人工添加
槽极上、加工面及槽内铺底
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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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