电解铝知识讲座(一章 基础知识)

一、铝电解生产概论
② 建筑：高层建筑、室内装修和新型桥梁等
1 铝 的 特 性 与 用 途
一、铝电解生产概论
② 建筑：
1 铝 的 特 性 与 用 途
一、铝电解生产概论
③ 交通运输
1 铝 的 特 性 与 用 途
汽车 高速列车 飞机 轮船
一、铝电解生产概论
③ 交通运输
1 铝 的 特 性 与 用 途
表面性质
（1）表面张力； （2）湿润性。
(1)表面张力：
表面张力：熔体（液体）的表面质点（分子、 原子或离子）所受的力与熔体内部质点不同，熔 体内部质点受其周围质点的作用力（斥力或引力） 是对称，合力为零。
生产中要求电解质与阳极气体之间有较大的表 面张力，有利于阳极气体的逸出，要求电解质与 铝液之间应有较大的界面张力，这样可以降低铝 在电解质中的溶解速度，增大铝与电解质的分离 速度。
冰晶石中所含氟化钠摩尔数与氟化铝摩尔数之比为冰晶石 的摩尔比,俗称分子比。 摩尔比等于3质量比等于1.5的冰晶石形成的电解质称为中 性电解质； 摩尔比大于3质量比 大于1.5的冰晶石形成的电解质称为碱 性电解质， 摩尔比小于3质量比小于1.5的冰晶石形成的电解质称为酸性 电解质， 目前铝工业上均采用酸性电解质生产。
铝的用途：
由于铝及其合金具有以上如此多种性能，而且 产量在不断增长，所以在现代国民经济和国防工业 中得到了广泛的应用，成为仅次于钢、铁的第二大 金属。它的用途主要有：可做轻型结构材料、建筑 工业材料、电气工业材料、耐腐蚀材料、食品包装 材料等。
一、铝电解生产概论
1 铝 的 特 性 与 用 途
① 包装 食品 医用 饮料
铝的外特性 ： （铝有美丽的银白色的光泽，工业被称誉为“万能金属”） 1、铝是轻金属的一种，常温下的密度为2.7克/立方厘米（克每 立方厘米），是铜和钢铁的三分之一； 2、铝有良好的防腐蚀性； 3、铝是一种良好的导电材料，而且铝的纯度越高，导电性能越 好，是铜导电率的62~65%，用铝作导电材料既经济又轻便。 4、铝具有良好的导热和反光性能，是一种制造反光镜和保温器 的良好材料； 5、铝具有良好的延展性和可塑性； 6、铝的再利用率高； 7、铝易与其他金属组成合金。
阳极效应发生的机理学--综合理论
这种理论是一、二种理论的综合，即认
为发生阳极效应一方面是由于电解质对阳极的
湿润性变化，另一方面又是由于氟离子放电而 改变了阳极气体组成，或者改变了碳阳极的表 面性质，从而使电解质对阳极的湿润性骤然恶 化，于是发生了阳极效应。
综上所述，发生阳极效应的共同特点是，电
解质中氧化铝浓度降低，在工业铝电解槽上，当
铝电解质的性质: 1.初晶温度; 2.密度; 3.粘度; 4.导电度; 5.表面性质; 6.挥发性;
什么是铝电解质的熔点(初晶温度)?
在铝电解生产中所用的纯盐类都有固定的 熔点，即熔融液体开始有固体析出的温度， 也叫初晶温度。
为什么电解温度一般要高于初晶点?
电解温度= 初晶温度(熔点)+(15—-20)℃ ， 即电解温度一般要高出初晶温度15—20℃。
阳极效应发生的机理学有哪些?
1.湿润性理论。 2.氟离子放电理论。 3.静电引力理论。 4.综合理论。
阳极效应机理－湿润性理论
该理论认为发生阳极效应是由于电解液对阳极的湿润性 改变所致。当电解液内氧化铝浓度高时，电解液对阳极的湿 润性很好，阳极过程中产生的气泡很容易从阳极上排挤掉； 当氧化铝浓度降低时，电解液对阳极的湿润性变坏，阳极上 的气泡不易被排开，于是小气泡合并成大气泡，最终在阳极 底掌形成一个气膜层，从而发生阳极效应。 在发生阳极效应时，向电解质中添加氧化铝，电解液对 阳极的湿润性重新变好，于是阳极气膜遭到破坏，效应熄灭， 恢复正常电解过程。
什么叫电解质的粘度?
所谓粘度是液体中的质点之间相对运动的阻力，也称内部 摩擦， 电解质粘度主要取决于电解质的成份和温度。 电解质粘度随温度升高而降低。 氧化铝增大电解质的粘度，但在电解质中氧化铝含量在10% 以内时影响其粘度变化较小，超过10%时，则电解质的粘度开始 显著上升。 另外，电解质的分子比也能降低电解质的粘度，添加氟化
（0.4～2%），而效应发生时，四氟化碳气体含 量上升到15～35%。
பைடு நூலகம்
理论认为，在氧化铝浓度高时，电解质中
铝—氧—氟离子中氧离子的比例较大，此时阳极
上理应氧离子放电，但在氧化铝浓度很低时（2% 以下），氟离子比例增大，这给氟离子与氧离子 共同放电创造了条件，当这两种离子一起在阳极 上放电时，阳极过程更加迟滞，阳极从活化状态
溶解的氧化铝
通入直流电（960℃）
液态铝(阴极）+气态物质（阳极）
通入直流电的目的?
一方面是利用它的热能将冰晶石熔化呈熔融状 态，并保持恒后的电解温度；另一方面是要实现电 化学反应，也就是使电解质中的铝离子从阴极上得 到电子而析出，从而得到铝液，氧离子则在阳极上 放电生成一氧化碳、二氧化碳的混合气体，最后通 过集气回收。在阴极上得到的液态铝，随着电解过 程的不断进行，铝量不断增多，然后周期性的从电 解槽中用真空抬包吸出，运往铸造部经过净化配料 处理，浇注成商品铝锭。
电解温度主要取决于什么?
在电解过程中，电解温度除与极距电压降 大 小有关外，主要取决于电解质的熔点。欲 想保持低温电解生产，不设法降低电解质的熔 点而单纯降低电解过程温度，必然会导致电解 质过冷，引起病槽，影响生产。
电解质的密度
在电解槽正常生产过程中，上层是电解质，下层 是铝液。由于它们之间的密度差异所致。在电解温度 （950℃）下铝的比重（2.302克/立方厘米），大于含 有5%氧化铝的冰晶石（即电解质）的比重（2.102克/ 立方厘米）。
铝液在电解槽的生产及吸 出原理示意图
铝电解质及其性质
什么是现代铝工业用铝电解质？
铝电解生产中，连接阳极和阴极之间不可缺少 的熔盐叫电解质。
现代铝工业用铝电解质的组成
液体电解质主要以冰晶石为溶 剂 以氧化铝为溶质而组成，其中冰 晶石占百分之八十五，还有，氟化 钠，氟化铁，氟化硅等。
电解质的摩尔比（分子比）
（2）湿润性
湿润性。是表示液相对固相的湿润能力。液相对固相表 面的湿润程度取决于其表面张力的大小 。
实践证明，电解质熔体随Al2O3浓度样增加，对碳素材料 的湿润性变好，在有铝存在的情况下，电解质对碳素材料的 湿润性也有所改善，在生产中，要求电解质对阳极的湿润性 要适当好些，对阴极的湿润性要差，电解质对阳极的湿润好， 可以使阳极气体迅速脱离阳极表面，减小所膜电阻，但也宜 太好，太好会造成电解质中的碳渣分离困难，电解质对阴极 湿润性差，可以有效阻止电解质向阴极内衬中渗透，减轻炉 底破损。
转向钝化状态，阳极气体开始大量积聚在阳极上，
将电解质与阳极隔开，于是效应发生。
阳极效应发生的机理学--静电引力理论 该理论认为发生阳极效应是由于阳极—气体 之间的静电引力所引起。在含氧化合物的电解质 是气泡带正电荷，所以气泡能从阳极上排出，当 电解质里氧化物缺乏时，气泡就带负电荷，于是 被阳极吸引住，引起效应发生。
湿润性
液体对固体的湿润角
M 液体 液体 N 固相 固相 N M
θ>90°表示液体对固体的湿润性不良， 角越大，湿润性越差。 θ<90°则表示液体对固体的湿润性好， 角越小，湿润性越好。
湿润性
影响电解质湿润性的因素： 1.电流密度和铝的影响。 2.氧化铝浓度的影响。 3.冰晶石物质数量的影响。 4.碳素材质的影响。 5.炭阳极中添加锂盐的影响。 6.炭阴极上硼化钛的影响。
θ θ
(a) 正常生产
(b)发生效应时
电解质对阳极底掌的湿润性
阳极效应发生的机理学--氟离子放电理论 这种理论则认为阳极效应是由于阳极过程发 生了改变，即氟离子放电所为。该理论的依据是， 阳极效应发生前和发生中，阳极气体中除了二氧 化碳和一氧化碳之外，还含有四氟化碳气体。在
临近阳极效应时，阳极气体中含有少量四氟化碳

挥发性

物质的挥发性，一般是指液体在低于沸点的状态下， 分子以气态排出（蒸发）的程度。 在生产当中，要求电解质的挥发性要小，一是可以减 小冰晶石的挥发损失，二是可以减小有害物的排放对 人体减少危害，并减轻环境污染。
添加剂对电解质的影响: 能满足电解生产添加剂的条件为；
1.在电解过程中不参与电化学反应，以免电解出 其他元素而影响铝的纯度。 2.能够对电解质的性质有所改善。 3.对氟化铝溶解度的影响不能太大，吸水性和挥 发性要小。 4.来源广泛，价格要低廉等。
铝的性质主要物理性质
原子系数 原子量 13 26.98154
化合价
密度（克/厘米3）纯度99.97% 比热焦/克.开 熔点（℃） 沸点（℃） 熔化热（焦/克.开） 电子当量（克/安培.小时）
3
20℃固态—2.699（~2.7） 660℃液台—2.3 1000℃液态—2.289 固态 0.8996 纯度99.97% 660 2500 397.06 0.3356
钙能使其粘度增大，氟化钠和氟化锂使电解质粘度减小
。
在电解生产中，电解质的导电率（导电度）与哪些因素 有关? 在电解生产中，电解质的导电率受到多方面的影响。 ①与电解温度有关。温度越高，离子运动越快，导 电率增加。但是电解温度高，会造成电流效率降低，能 耗和原材料增加，因而提高导电率的效益补偿不了降低 电流效率和其它的损失。 ②与电解质分子比有关。导电率随分子比的增加而 增加。 ③与Al2O3 浓度有关。电解质的导电率随Al2O3 浓 度的增加而降低。
能够部分满足上述要求的添加剂有， 氟化铝，氟化钙，氟化镁，氟化锂，氟 化钠。 常用添加剂的优点；都具有降低电解 质初晶温度的优点。 缺点是降低氧化铝在电解质中的溶解 度，和溶解速度。
铝电解过程中两极副反应都是什么?
在冰晶石一氧化铝熔盐铝电解过程中，在 电解析出铝的同时，在两极上还伴随发生一些 重要的过程和现象，因这些过程和现象对生产 有害无益，所以称为两极副反应， 在阴极副反应中有金属钠的析出，阴极铝 的再溶损失，炭化铝的生成； 在阳极副反应中有阳极效应、阳极气体成 分的变化