铝电解的原理

• 4.2.5 槽内衬结构及槽壳 • 槽壳侧壁用一层炭块（120mm），一 层耐火砖（65mm），槽底用一层阴极炭块 （450mm），两层耐火砖（2×65mm）， 两层保温砖（2×65mm），一层氧化铝粉 （40mm）。此外还要在侧壁上用炭糊打一 层斜坡，在阴极炭块上下面铺设40mm厚的 炭垫。
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现代铝工业有两类四种型式的电解槽： (1) 自焙阳极电解槽 1) 旁插棒式 2) 上插棒式 (2) 预焙阳极电解槽 1) 不连续式 2) 连续式
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中间下料的大型预焙槽具有以下优点： (1) 机械化和自动化的程度可以得到充分的发挥。 (2) 从投资看预焙槽的阳极简单投机少。 (3) 随着环保意识的提高，保护地球的呼声日益加 剧，预焙槽的发展越来越 • 明显，所以该设计的槽型选择为中间下料大型预 焙槽。 • 根据现代铝工业的发展趋势及我国产业政策，并 结合设计的实际情况综合加以分析考虑，选用并 确定使用大型预焙阳极电解槽。
4.3 电解槽导电部件的计算 • 4.3.1 电解槽的母线配置及其排列方式 • 1. 母线配置的重要性 • 在大型电解槽的设计中，母线不仅被看成是电 流的导体，更重要的是它产生的磁场对生产过程 的影响。母线系统的电流和电解槽内的电流会产 生一个强磁场，对电解槽的稳定性产生重要的影 响，它们与熔体中的电流相互作用，产生一种磁 场力，使熔体界面变形和波动，主要表现在铝液 表面突起、滚铝、铝液回流与铝液的波动等等。 这种磁场还对电解槽的寿命、电能消耗和电流效 率产生很大的影响，所以合理的配置母线对铝电 解槽的设计十分重要。
• 则上面的反应方程式可简化为： • Al2O3+3/1.86C=2 Al+2.58/1.86CO2+0.42/1.86CO • 以上产1000kg铝为基础，则 • 理论需要量： • Al2O3：(102/54)×1000=1888.9kg • C：(12×1000×3/1.86)/54=358.42kg • 合计：2247.3kg • 理论生成量： • CO2：(44×2.58/1.86)×1000/54=1130.22kg • Al：1000kg • CO：(28×0.42/1.86)×1000/54=117.08kg • 合计：2247.3kg
• (3)氟化铝 • 工业氟化铝是白色极细的粉末，不粘手。 在常压下加热不熔化，但在高温下升华， 5 1200℃时蒸气压达到760mmHg柱10 Pa。 工业上广泛采用氟化铝来调整电解质成分， 既可弥补电解质中氟化铝的挥发损失，又 可调节电解质的分子比，保证生产技术条 件的稳定。
• (4)其他各种添加剂 • 在电解过程还要其他添加剂，如CaF2、 MgF2、LiF、LICO3 NaCI、NaF等，用来改 善电解质的物理化学性质。 • 2.破素材料 • 大型预焙铝电解槽用碳素材料土要包括: : 预制阳极炭块、阴极糊、侧部炭块和底部 炭块。
• (2)槽膛深度 • 槽膛深度主要取决于槽中电解质于铝液 水平及操作工艺制度。槽膛过深则使电解 槽造价增加，生产热损失大，目前各国槽 膛深度选用400~500mm居多数。木设计所 采用的槽膛深度为530mm. • (3)阳极到槽帮距离 • 阳极到纵面槽帮的距离： 570mm • 阳极到横侧槽帮的距离： 520 mm
3. 母线配置图（4.8, 4.9, 4.10）
4.3.2 电解槽母线尺寸的确定 • 1. 阴极母线的确定及计算原理 • 槽与槽之间通过铝母线串联而成，电解槽有样 机母线、阴极母线、立柱母线和软带母线，为了 降低母线电流密度，减少电压降，降低造价，大 型电解槽均采用大断面的铸造铝母线。从降低母 线成本的家督，应该减小母线截面尺寸，提高导 电母线的电流母线，但母线截面尺寸的减小会增 大导电母线的电阻，使生产运行过程中的电耗增 高。因此在母线配置的设计中应该使用较合理经 济的母线配置。下图为阴极母线原理图4.11：
铝的冶炼工艺
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目前工业生产原铝的方法是Hall－Heroult法， 由美国Hall和法国的Heroult于1886年发明。Hall －Heroult铝电解法是以氧化铝为原料、冰晶石 （Na3AlF6）为熔剂组成的电解质，在 950~970℃的条件下通过电解的方法使电解质熔 体中的氧化铝分为铝和氧，铝在碳阴极以液相形 式析出，氧在碳阳极上以二氧化碳气体的形式逸 出。每生产一吨原铝，可生产1.5吨的二氧化碳， 综合耗电量在15000kwh左右。铝电解主要原料为 氧化铝，副原料氟化盐包括冰晶石、氟化铝、氟 化钙、氟化镁、碳酸钠等，阳极原料（阳极和碳 阳极）以及以及铝电解能源—直流电。
4.4 物料平衡计算 • 冰晶石—氧化铝融盐电解的总反应方程式为： • Al2O3+3 C /(1+N) =2 Al+3N/(1+N)CO2+3(1－ N)/(1+N)CO • 其中，N=｛CO2/( CO2+ CO) ｝×100% 即阳极 气体中CO2的体积百分数，可根据下式求得： • η=1/2（1+N%）+K • η—电流效率，这里取92% • K—是一个校正系数，取-0.01 • 所以：0.92=1/2+1/2 ×N%－0.01 • 解得：N=0.86
• P=0.3356×I平均电流×γ×24×10－ 3=0.8054 I平均电流γ×10－3公斤/月 • 电耗率是单位铝产量所需的电能量： • W=V平均/0.3356γ=2.98×V平均/γ（千瓦 时/公斤铝） • 式中： • I平均电流 —平均电流强度（A） • γ —电流效率（小数） • V平均 —平均电压（V） • 0.3356—铝的电化当量（克/A·时）
• 借直流电的作用，在阴阳两极上实现电化学反应， 在阳极上得到气态物质，阴极上得到也太铝，其 过程为： • Al 3+ (配离子) + 3e→ Al 铝工业生产全部采用活性阳极，随着电解过程 的进行，阳极碳参与电化学反应，生成碳的化学 物—二氧化碳，反应式为： • 2Al2O3（溶解的）+3C（固）直流电→4Al（液） +3CO2（一次气体）
3.铝电解原料及产品
• 1.各种电解质组成原料的规格及性能 • (1)氧化铝 • 氧化铝是铝电解用的原料，这是一种白色 的粉末，熔点是2050℃，真密度 • 是3.6g/cm3，堆密度约为1g/cm3。铝电解 对于氧化铝的要求，首先是它的化学纯度， 其次是物理性能。
• (2)冰晶石 • 铝电解所用的熔剂主要是冰晶石(Na3AlF6)， 其熔点是100℃，氧化铝能 • 够溶解在冰晶石里，构成冰品石一氧化铝 熔盐，这种电解质基本上能满足铝电解的 需要。 • 为了获得良好的技术经济指标，冰晶石 中电位比铝更正的金属氧化物杂质(如Fe2O3 与SiO2})的含最必须极小，同时，引起冰品 石分解的各种有害杂质(如H2O与硫酸盐等) 的含量须降至最低。
生产流程图如下图所示：
wenku.baidu.com •
直流电通入电解槽，使溶解于电解质中 的氧化铝在槽内的阴、阳两极发生电化学 反应。在阴极电解析出金属铝，在阳极电 解析出CO和CO2气体。铝液定期用真空抬 包吸出，经过净化澄清后，浇铸成商品铝 锭。阳极气体净化后，废气排空，回收的 氟化物返回电解槽。电解槽温度控制在 940~960℃。 • 铝电解槽的生产指标，最重要的就是电 耗率和生产率两项，生产率一般按日产铝 计算（我国铝厂称之为昼夜产量）
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电解槽的外形尺寸 (1) 侧部炭块 一般取125mm (2) 耐火砖 一般取65mm (3) 钢板 一般取10mm
• (4) 电解槽的外形尺寸见图4.5：
4.2.4 阴极炭块和阴极结构 • (1) 阴极炭块尺寸 • 1) 阴极炭块离侧面的距离,本设计取420mm • 2) 阴极块的尺寸和阴极钢棒的尺寸：阴极 炭块的断面尺寸本设计采用450×515（钢 棒65 ×180）mm型号。 • (2) 相邻阴极炭块之间的距离， L间= 45 mm。 • (3) 阴极炭块与槽内衬侧壁的距离，一般为 260~300之间，选定为L端=280mm
4.2电解槽结构设计计算 电解槽结构设计计算 • 4.2.1 阳极炭块及阳极结构 • 阳极炭块组包括阳极炭块、钢爪、铝导杆等3部分， • (1)阳极尺寸 • 阳极尺寸是电解槽结构法个重要的参数，一般 来说，电解槽容量越大，则 • 阳极尺寸也要大一些:综合各种因素的考虑，本设 计阳极尺寸设计为1450mm×570mm×520mm， -1 采用四个钢爪，每个钢爪的面积为0.236m·个 。
• 2. 母线配置 • 母线配置的特点： • (1) 大型电解槽一般采用以槽横向为中心对 称，这样可以减轻铝液的突起； • (2) 远端母线转向槽底，在到达槽中心处转 90°再从端部引出，这样可以削弱正方向 90 的磁场，从而减少铝液的波动和回流。 • 影响电解槽的重点是垂直磁场，它可作为 电解槽的标志。
3 2 3+ 2-
• 冰晶石在高温熔融状态下会发生挥发损失 和其他机械损失，电解过程中也须做一定 补充。除此之外，还需反应过程中供给大 量的直流电能（约为13000～15000kwh/t－ Al）以推动反应向生成铝的方向进行。
下图为铝电解生产的工艺流程图：
2.铝电解工艺流程图概述 • 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。电解的产物，阴极上是 液体铝，如果阳极是炭质的，它参与电解反应， 阳极界面上是CO2（约70%~80%）和CO（约 20%~30%），如果是惰性的，不参与电解反应， 则产生O2气体。铝液是用真空包抽出经过净化和 澄清后，浇注成商品铝锭，其质量达到 99.5%~99.8%Al。阴极气体中还含有少量的有害 氟化物和SO2，经进化后，废气排入大气，收回 的氟化物返回电解槽。
其电极反应为：Al2O3（固）溶解、电离 →2Al +（络合状）+3O -（络合状） 阴极：Al （络合状）+3e→Al（液） 阳极：O （络合状）—2e→O（原子） 2O（原子）+C（固）→CO2（气） 上述反应过程为当前铝电解的基本原理， 依据此原理，随着反应不断进行，电解质 熔体中的氧化铝，固体碳阳极不断被消耗 掉，因此，生产中需不断向电解质中添加 氧化铝和碳阳极，使生产得以连续进行。
所以：槽壳宽度b槽宽=b膛+2×侧部碳砖厚度+2×保 温砖砖厚度 =4290+2×120+2×65 =4660mm 槽壳长度L槽壳=L膛+2×侧部碳砖厚度+2×保温砖砖 厚度 =9640+2×120+2×65 =10010mm 槽壳深度h槽壳= h膛+阴极炭块厚度+炭垫厚度+2×耐 火砖厚度+2×保温 砖厚度+砖缝厚度+氧化铝厚度 =530+450+40+2×65+2×65+5+40 ==1325 mm
4.铝电解槽的设计计算 铝电解槽的设计计算
• 1 铝电解槽槽型选择及论证 • 1.2 槽型的选择及论证
• 自焙阳极定期补充阳极糊，因而能够连续使用，而预 焙阳极消耗到一定高度时就要更换，不可连续使用。但是 自焙阳极有其缺点，首先是它本身所带的粘结剂沥青在槽 上烧结时进行分解，散发出有害烟气，使劳动条件恶化， 另外它本身的压降大。而预焙阳极已经在专用的被烧炉内 焙烧过，它的沥青烟气正好当作燃料使用，不在铝电解槽 上散发出来。
• 物料达到平衡。 • 事实上，生产一吨铝的原料实际消耗量为： • Al2O3：1940kg； Al2F3：27kg； Na3AlF6：15kg • Ca F2：1kg； 阳极炭块：585kg； 阳 极净耗：450kg 450kg • 以上数据表明，实际消耗量远大于理论消 耗量，这主要是因为，工业上Al2O3的纯度 在98.5%~99%，冰晶石等原料在电解过程 中都有损失。