铝电解原理(中南)

四、铝电解原料（冰晶石 铝电解原料（ 与氟化盐） 与氟化盐）生产
1 冰 晶 石 生 产 工 艺
冰 晶石 冰晶石 冰晶石 冰晶石生产 产 、
冰晶石 冰晶石
冰
、
四、铝电解原料（冰晶石 铝电解原料（ 与氟化盐） 与氟化盐）生产
冰晶石 生产 制、制盐（ 制、制盐（ 制 、 冰晶石）、 冰晶石）、
1 冰 晶 石 生 产 工 艺
一、铝电解生产概论
③ 交通运输
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
一、铝电解生产概论
③ 交通运输
1 铝 的 特 性 与 用 途
一、铝电解生产概论
在有色金属中，铝的发现和冶炼较晚， 在有色金属中，铝的发现和冶炼较晚，十八世 纪末被发现，十九世纪初分离出单独金属， 纪末被发现，十九世纪初分离出单独金属，十九世 纪末开始工业生产，可大体分为三个历史阶段 三个历史阶段： 纪末开始工业生产，可大体分为三个历史阶段： 1）金属热还原法 1 1 1 1 产 ： ：法
三、炭阳极生产工艺
2、粘接剂---沥青 粘接剂--其主要功能是粘结固体骨料，构成具有一定塑性的炭糊， 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。 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。 沥青是煤焦油经高温分馏后的残渣， 沥青是煤焦油经高温分馏后的残渣，是多种碳氢化合物的混合 体。通过溶剂萃取可将其分离为高分子组分、中分子组分和低分子 通过溶剂萃取可将其分离为高分子组分、中分子组分和 高分子组分 组分。 组分。
四、铝电解原料（冰晶石 铝电解原料（ 与氟化盐） 与氟化盐）生产
铝电解过程的主要原料—Al2O3 铝电解过程的主要原料 Al 铝电解对其化学纯度要求： 铝电解对其化学纯度要求： 比铝更正电性元素的氧化物（ 比铝更正电性元素的氧化物（Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等）含量有 要求； 要求； 比铝负电性元素，如碱及碱土金属等，电解时与氟化铝反应， 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； 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。 水分也是有害成分，分解电解质中氟化物，产生HF。 HF
3 3 Al 2 O 3 + C = 2 Al + CO 2 2 2
铝电解的原料包括：Al2O3、炭素阳极、冰晶石和氟化盐（NaF、 铝电解的原料包括： 炭素阳极、冰晶石和氟化盐（NaF、 AlF3、CaF2和LiF等）： LiF等 炭素阳极是铝电解过程的辅助原料，包括预焙阳极炭块和阳极糊； 炭素阳极是铝电解过程的辅助原料，包括预焙阳极炭块和阳极糊； 是铝电解过程的辅助原料 冰晶石和氟化盐构成铝电解质，用来须补充或调整电解质成分； 冰晶石和氟化盐构成铝电解质，用来须补充或调整电解质成分； 构成铝电解质 是铝电解过程的主要原料，每生产１吨铝消耗２ Al2O3是铝电解过程的主要原料，每生产１吨铝消耗２吨Al2O3， 其生产工艺有：拜耳法、联合法、碱石灰烧结法、石灰石烧结法、 其生产工艺有：拜耳法、联合法、碱石灰烧结法、石灰石烧结法、高 压水化学法和酸法等。 压水化学法和酸法等。
一、铝电解生产概论
1 铝 的 特 性 与 用 途
1）Al：轻、强、美、可再生利用； Al： 可再生利用； 2）产量：第二大金属，仅次于钢，全球2400万吨/ 产量：第二大金属，仅次于钢，全球2400万吨/ 2400万吨 年，我国2001年达342.5万吨（425万吨）， 我国2001年达342.5万吨（425万吨）， 2001年达342.5万吨 万吨 全球第一，而今年预计将达到660万吨， 全球第一，而今年预计将达到660万吨，成为 660万吨 世界生产能力最大的铝工业大国； 世界生产能力最大的铝工业大国； 3）用途广泛：包装、建筑、交通运输、国防、电 用途广泛：包装、建筑、交通运输、国防、 子电器、日用品及耐用消费品等。 子电器、日用品及耐用消费品等。
自焙阳极电解槽、 自焙阳极电解槽、 2 极电解槽， 极电解槽，电解槽
一、铝电解生产概论
2 铝 冶 炼 历 史
3）大型预焙阳极电解槽炼铝 20世纪50年代，大型预焙铝电解槽出现，使 20世纪50年代，大型预焙铝电解槽出现， 世纪50年代 电解炼铝 产 、电 术 大型化、 大型化、现代化 、 、 大 生 、 ， 化 ，
预焙槽
电耗低，槽电压低； 电耗低，槽电压低； 电解槽造价少； 电解槽造价少； 可大型化， 可大型化，操作的机械化程 度高； 度高； 烟害小。 烟害小。 非连续式预焙阳极电解槽需 更换阳极； 更换阳极； 需成套的阳极制备工厂， 需成套的阳极制备工厂，投 资多。 资多。
铝工业的主流是大型预焙电解槽， 铝工业的主流是大型预焙电解槽，但正开发采用惰性 阳极和可润湿性阴极的新型铝电解槽。 阳极和可润湿性阴极的新型铝电解槽。
一、铝电解生产概论
铝电解基本原理图
二、铝电解槽及电解槽系列
按阳极结构发展顺序，铝电解槽可分为： 按阳极结构发展顺序，铝电解槽可分为： 1 小型预焙电解槽； 小型预焙电解槽； 2 侧插自焙阳极电解槽； 侧插自焙阳极电解槽； 3 上插自焙阳极电解槽； 上插自焙阳极电解槽； 4 大型不连续预焙阳极和连续预焙阳极电解槽； 大型不连续预焙阳极和连续预焙阳极电解槽； 5 中间下料大型预焙阳极电解槽
轻金属冶金专论
吕晓军 中南大学
专
一、铝电解原理 二、铝电解电解质
题
三、铝电解电流效率、电能效率和能量平衡 铝电解电流效率、 四、铝电解新型电极材料 五、铝电解节能节炭的深层研究
铝电解原理
吕晓军 中南大学
目 录
一、铝电解生产概论 二、铝电解槽及电解槽系列 三、铝电解原料（冰晶石与氟化盐）生产 铝电解原料（冰晶石与氟化盐） 四、冰晶石-氧化铝熔体的结构 冰晶石 氧化铝熔体的结构 五、铝电解机理 六、阳极过电压和阳极效应
制酸
CaF2+H2SO4=2HF↑+CaSO4 SiO2+4HF=SiF4 ↑+2H2O SiF4+2HF=H2SiF6 H2SiF6+Na2CO3=Na2SiF6↓+H2O+CO2 ↑
wenku.baidu.com
二、铝电解槽及电解槽系列
电解槽
3 电 解 槽 系 列
电解槽系列 、电
槽 、 电
电解槽
列
电解 电解 电
三、炭阳极生产工艺
铝电解用炭素材料主要包括：阳极糊、预制阳极块、侧部炭块 铝电解用炭素材料主要包括：阳极糊、预制阳极块、 底部炭块四种 四种。 和底部炭块四种。 本节主要介绍阳极材料-----阳极糊和预制阳极块 本节主要介绍阳极材料-----阳极糊和预制阳极块 ----一、生产炭素阳极的原料 原料包括：骨料和粘接剂两部分 原料包括：骨料和粘接剂两部分 骨料----石油焦、 ----石油焦 1、骨料----石油焦、沥青焦 对骨料的要求： 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； 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； 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。 钒元素也会增大炭素材料的氧化活性，故其含量不宜太高。
始 的 ， ， 生产 ， ， 和 还原 还原 还原 还原 ， 炼铝 ，开
2 铝 冶 炼 历 史
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200
），
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一、铝电解生产概论
2）小型预焙/自焙阳极电解槽炼铝 小型预焙/
2 铝 冶 炼 历 史
1886年，Hall和Heroult分别申请冰晶石-氧 1886年 Hall和Heroult分别申请冰晶石分别申请冰晶石 化铝 电解 槽型 炼铝 小型预焙槽、 小型预焙槽、2 年 2 自焙阳 到8 到8
三、炭阳极生产工艺
2、粘接剂---沥青 粘接剂--沥青根据软化点的不同，可分为： 沥青根据软化点的不同，可分为： 软沥青（ 51℃）； 软沥青（48 ∽ 51℃）； 硬沥青（80℃以上），用于预焙阳极和上插槽阳极糊； 硬沥青（80℃以上），用于预焙阳极和上插槽阳极糊； 以上），用于预焙阳极和上插槽阳极糊 中硬沥青（ ），用于侧插槽阳极糊 用于侧插槽阳极糊。 中硬沥青（65 ∽ 75℃ ），用于侧插槽阳极糊。
二、铝电解槽及电解槽系列
电解槽电 、
1 预 焙 阳 极 电 解 槽
电解槽
电 电解槽 、 、 槽
槽
二、铝电解槽及电解槽系列
电解槽
1 预 焙 阳 极 电 解 槽
电
电
二、铝电解槽及电解槽系列
2 自 焙 阳 极 电 解 槽
二、铝电解槽及电解槽系列
自焙槽
阳极可连续使用； 阳极可连续使用； 不需专门工厂进行阳极成型， 不需专门工厂进行阳极成型， 焙烧，装爪等。 焙烧，装爪等。 烟害大； 烟害大； 槽电压比预焙槽约高0.1 0.1～ 槽电压比预焙槽约高0.1～ 0.2V， 0.2V，电耗比预焙槽高约 1000度 1000度； 上插棒槽的上部金属结构比 较复杂，机械化程度低， 较复杂，机械化程度低，投 资大。 资大。
四、铝电解原料（冰晶石 铝电解原料（ 与氟化盐） 与氟化盐）生产
铝电解过程的主要原料—Al2O3 铝电解过程的主要原料 Al 铝电解对其物理性能要求： 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， 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， 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。 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。 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。 根据氧化铝的物理性能不同，可分为砂状、粉状和中间状。
三、炭阳极生产工艺
2、粘接剂---沥青 粘接剂--高分子组分是焙烧时形成焦化残炭的主要载体， 高分子组分是焙烧时形成焦化残炭的主要载体，它影响炭素阳极的 是焙烧时形成焦化残炭的主要载体 空隙率大小及强度，它没有粘结性，所以高分子含量过高会影响沥青的 空隙率大小及强度，它没有粘结性， 粘结能力。 粘结能力。 中分子组分主要起粘结作用， 中分子组分主要起粘结作用，中分子组分的含量是沥青性能的重要 主要起粘结作用 指标，一般需要达到20-35%才能制得合格的产品。 指标，一般需要达到20-35%才能制得合格的产品。 20 才能制得合格的产品 低分子组分主要作用是溶剂的作用，能降低沥青的软化点， 低分子组分主要作用是溶剂的作用，能降低沥青的软化点，有利于 主要作用是溶剂的作用 改善沥青对焦碳颗粒的润湿性，并提高糊料成型时的可塑性。 改善沥青对焦碳颗粒的润湿性，并提高糊料成型时的可塑性。
三、炭阳极生产工艺
铝电解槽的阳极分成自焙阳极和预焙阳极两种形式 铝电解槽的阳极分成自焙阳极和预焙阳极两种形式 自焙阳极
残极 生石油焦 破碎 煅烧 筛分 处理 预焙阳极碳块 焙烧 成型 配料 混捏 熔化 成型、 成型、冷却 阳极糊 煤沥青
四、铝电解原料（冰晶石 铝电解原料（ 与氟化盐） 与氟化盐）生产
1 铝 的 特 性 与 用 途
① 包装 食品
、
1 铝 的 特 性 与 用 途
建筑：高层建筑、 ② 建筑：高层建筑、室内装修和新型桥梁等
一、铝电解生产概论
建筑： ② 建筑：
1 铝 的 特 性 与 用 途
③ 交通运输
1 铝 的 特 性 与 用 途
汽车 车
一、铝电解生产概论
③ 交通运输
1 铝 的 特 性 与 用 途
三、炭阳极生产工艺
2、粘接剂---沥青 粘接剂--要求： 要求： 1.中分子组分: (>20%) 1.中分子组分: 中分子组分 其是保证粘结性能的重要成分 2.固定炭:(>50%) 2.固定炭:(>50%) 固定炭 固定炭---沥青在隔绝空气的条件下，加热到800、干馏3 固定炭---沥青在隔绝空气的条件下，加热到800、干馏3 ---沥青在隔绝空气的条件下 800 小时，排除全部挥发分后残留的总碳量。 小时，排除全部挥发分后残留的总碳量。焦化过程中沉积 在骨料之间,降低阳极孔隙率, 提高机械强度和导电率; 在骨料之间,降低阳极孔隙率, 提高机械强度和导电率; 3.水份<0.5%, 灰分<0.5% 3.水份<0.5%, 灰分<0.5% 水份