铝电解(二)

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5.3 铝电解中的电能消耗与电能效率
电能效率：理论电耗与实际电耗之比 铝工业中节电的意义和潜力 根据理论计算，生产每吨铝只需要直流 电能6320kW· h。但是在工业上生产每吨铝 需要直流电能13500- 14000kW· h。 电能效率＝40～60％
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每吨铝实际耗电量用下式计算：
V 3 W实 10 0.3356
kW h/t铝
式中 V— 电解槽的总平均电压； — 电 流效率 节电途径 （1）提高电流效率 （2）降低平均电压
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现代工业铝电解槽的技术参数和生产指标（280kA预焙槽） 阳极电流密度/（A· cm-2) 0.70 槽电压/V 4.0-4.1 温度/℃ 945-960 极距/cm 4.0 物质的量比 2.0-2.4
优点
节省成本
阳极制造需要油焦→降低生产成本 阳极不需要经常更换→降低操作成本
保护环境（副产品为O2）
惰性电极结合低温电解技术(low temperature aluminum electrolysis)、新型电解槽结构是未来铝电解发展方向
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6.4 偏析法制取精铝
基本原理： 当原铝从熔融状态下徐缓冷却，到达其 初晶点时，结晶析出纯度很高的铝粒， 然后将此种铝粒跟剩余的铝液分离，便 得到所要求的偏析法产物，可从99.8%的 原铝中提取到纯度为99.95%的铝, 其提 取率为5-10%。 法国彼施涅公司的偏析法原理图 优点：产量大、能耗低、成本低； 缺点：纯度低
有色金属冶金学
Non-ferrous Metallurgy
Aluminium Electrolysis 铝电解（二）
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5、铝电解的生产过程
Aluminum Manufacturing 5.1 概述
铝电解槽全部生产过程包括三个阶段： 焙烧期、启动和启动后期、正常生产期。 （1）铝电解槽的焙烧期 目的：焙烧自焙阳极（对预焙槽则是加 热阳极）以及加热阴极，达到9001000℃，以便下一步启动。 焙烧方法：焦粒焙烧法
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6.2 铝液净化
往铝液中通入惰性气体(如氮气)或活性 气体(氯气)，可使铝液中的固态夹杂物 吸附在气泡上，并随气泡上升至铝液表 面,最后在过滤层中分离。 净化方法： 在低温（刚刚熔点以上）长时间静止或 通入氮气加以搅拌，清除氢。 通入氯气，与铝反应生成氯化铝气泡。 比氮气效果好。
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6.3 三层液电解法制取精铝
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（2）铝电解槽的启动期 目的：在电解槽内熔化电解质，开始 铝电解。分干式和常规启动两种。 干式适用于启动新系列中的头几台槽 常规启动适用已有电解槽生产 启动时间1小时。 从启动到正常生产之间有一个过渡期， 称为启动后期，大约1个月。
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（3）铝电解槽的正常生产期
电解槽经过焙烧和启动之后便进入正常 生产期，直到停槽为止，正常生产期通 常延续5-7年。
电解槽正常生产的特征： A、从火眼中冒出有力的火苗，颜色呈 蔚蓝色或淡紫蓝色； B、槽电压和温度稳定地保持在设定的范 围内；
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C、阳极完好、周围电解质沸腾良好。炭
渣分离出来； D、槽面上的结壳完整，疏松好打； E、电解质与铝液分层清楚； F、电解槽侧壁上有凝固的电解质，它是 由冰晶石和刚玉构成的，是一种电和 热的绝缘体。
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惰性阳极(inert anode)
采用碳素阳极时电极反应式：
2Al2O3 + 3C = 4Al + 3CO2
理论分解电压1.18v
缺点：能耗高(耗电、耗优质碳)、污染
采用惰性阳极时的电极反应：
Al2O3 = 2Al+1.5O2
理论分解电压2.21V
降低阳极过电压（0.4～0.6V降到0.3V） 减小极距（4～5cm降到3cm）
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5.2 电流效率 铝电解的电流效率指阴极上实际产出的 铝量对于理论上按照法拉第定律计算的 铝量的百分数。 用公式表示
电流
m 100 % 0.3356 I t
式中，I为电流强度， t为电解时间， m为实际铝产量
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提高铝电解电流效率的主要措施： （1）在适当低的过热温度下进行电解; 过热温度指电解温度与电解质的初晶点之间 的差值。每降低过热温度10℃，平均提高电 流效率1-1.5%。目前一般为5-15℃。 （2）建立和保持理想的槽膛内型； （3）尽可能使槽内铝液保持平静； （4）选用低熔点的电解质组成，使用惰性的可 湿润阴极，如二氧化硼涂层阴极。
(1) 原铝。指用熔盐电解法在工业电解 槽内制取的铝，其纯度一般为99.5%99.85%。 （2）精铝。一般来自三层液精炼电解槽。 其纯度通常在99.99-99.999%。 （3）高纯铝。主要用区域熔炼法制取。 杂质质量分数不超过1×10-6。
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杂质情况： 原铝中主要是铁和硅，此外还有镓、钛、 钒、铜、钠、锰、镍、锌等。 精铝产品中，主要杂质仍是铁和硅，但 是锌、铜、镁、钠的含量接近铁，可能 会超过硅。
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从电解槽中取出的铝液通常含有三类杂质： A、金属杂质； B、非金属固态夹杂物：氧化铝、炭、 碳化铝； C、气态夹杂物：H2、CO2、CO、CH4、 N2。其中最主要的是H2。 在1000℃，100g工业原铝大约溶解氢气 0.2-0.4cm3。 铝液中的氢有两种形态：原子氢和气态氢。 前者溶解在铝液中，后者吸附在固态夹杂 物颗粒上。
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7 炼铝用惰性电极材料(inert materials)
惰性阴极(inert cathode)
在高温下具有良好的热稳定性和力学强度; 能抵御铝液和电解液的腐蚀作用; 对铝液有良好的湿润性; 能够和基体材料良好地结合,从而阻止电解液渗透; 在高温下有良好的导电性. 常用：硼化钛TiB2 TiC NbB2 ZrB2 等, 成型方法：热压法(hot pressing), 等离子喷涂法 (plasma spraying), TiB2炭糊涂覆振动成型法 (vibroforming of TiB2 film)
氧化铝的质量分数/% 2-4 添加剂质量分数/% CaF2 6 电解质水平/cm 20-22 铝液水平/ cm 12-15 效应系数/（次· （槽· 日）-1） 1.0 电流效率/% >90 铝产量/(kg·（槽· 日）-1） 2030 电耗率/（kW· h· t-1) 13000
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6、铝精炼
6.1铝的纯度分类
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迁往阴极的各种阳离子中，铝的电极电 位比较正，故Al3+优先在阳极上获得电子， 析出金属铝： Al3+ + 3e = Al 而其余的各种阳离子，如Ba2+, Na+之类， 并不放电。但是电解质本身所含的电位 比铝更正的元素，例如Si和Fe，却会在 阴极上析出，使铝的纯度降低。 电解精炼的结果是铝从阳极合金中溶解 出来，并在阴极上沉积，得到纯度为 99.99%的精铝。生产1t精铝需要电能 17000-18000kW· h（直流电）。
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精铝用途 70%制造电解质电容器，制造反光镜。 美国Hoopes1901年发明 下层液体：阳极合金，30%铜与70%铝， 密度3.4-3.7g/cm3. 中层液为电解质，纯氟化物和氯氟化物 体系，密度2.7-2.8 g/cm3. 最上层精铝，用作阴极，密度2.3 g/cm3
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工业上用两类电解质体系： （1）纯氟化物体系。其组成中AlF3 NaF BaF2 CaF2的质量分数分别48%，18%，10%， 16%；密度（液态）约2.8g/cm3，熔点 680℃，操作温度740 ℃。 （2）氯氟化物体系。其组成中AlF3 NaF BaCl2 NaCl的质量分数分别23%，13%， 60%，4%；密度（液态）约2.7g/cm3，熔 点700-720℃，操作温度760-800 ℃。
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6.5 区域熔炼法制取高纯铝
基本原理:
在铝的凝固过程中,杂质在固相中的溶解 度小于在熔融金属中的溶解度,因此, 当 金属凝固时, 大部分杂质将汇聚在熔区 内.如果逐渐移动熔区, 则杂质会跟着转 移,最后富集在试样的尾部. 分离效果取决于元素的分配系数(固相浓 度/液相浓度)
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分配系数: 指杂质元素在固相中和在液 相中的质量分配比率。 分配系数小于1的杂质元素在区域熔炼中 富集在试样的尾部；分配系数大于1的杂 质元素在区域熔炼中富集在试样的头部； 分配系数等于1的杂质元素在区域熔炼中 难以分离。 纯度达99.99995%; 金属杂质的质量分数 不高于0.5×10-6
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铝的电解精炼原理：
在阳极合金的各种金属元素当中，只有 铝在阴极上溶解出来。阳极合金中，如 铜、铁、硅之类比不活泼的金属元素， 并不溶解，仍然残留在合金内。阳极上 的电化学溶解反应是：Al - 3e = Al3+ 因此，电解液中除了原有的Al3+, Ba2+, Na+, F-, Cl-, AlF3-6, AlF4-之外，增加 了上述反应中的铝离子Al3+。