电解铝的基础知识

电解铝的基础知识

1、铝的性质：熔点低、熔点660℃、沸点高、密度小、电阻率小、有良好的导电性和反射光的能力、无磁性。具有两性，可与多种金属构成合金，与氧反应。其电化当量C=0.3356g.A-1.h-1

2、电解质主要成分是冰晶石,电解炼铝主要原料是氧化铝。炼铝历史：化学法炼铝（1886年前）、电解法炼铝（1886年后）。

3、电解槽是电解炼铝的核心设备；根据阳极分可以分为预焙阳极和自焙阳极，自焙阳极按导电方式分为旁插棒式和上插棒式，预焙阳极按连续使用与否分为连续式与不连续式；电解槽系列有横向和纵向两种。

4、冰晶石即氟铝酸钠，分子式为：Na3AlF6,或3NaF.AlF3，它有人造冰晶石和天然冰晶石两种。人造冰晶石生产方法主要有酸法，碱法，干法和磷肥副产法。

5、电解铝电解质以冰晶石为主体的原因（H-H法优点）：1）冰晶石中不存在析出电位比铝正的元素，这可避免其他金属离子在阳极放电而降低Al的质量，2）熔融的冰晶石易溶解Al2O3，3)Al2O3的熔点为 2030℃，而Al2O3与Na3AlF6形成熔体后，其初晶温度降为930—980℃,4)熔融的冰晶石-氧化铝熔体具有较小的密度,5)具有较好的导电性和适合的粘度,6)不与槽内衬发生电化学反应,7)在电解温度下不吸水，挥发性不大，8）在电解温度下，具有较小的挥发度。

6、铝电解生产中向电解质加入添加剂的目的：改善原有电解质的性质，满足电解需求。

对添加剂的基本要求：1）在电解过程中不被电解成其他元素而影响Al的质量；2）应能对电解质的性质有所改善 3）吸水性和挥发性要小； 4）对Al2O3的溶解度不能有太大影响 5）来源广泛，价格低廉。

7、分子比：MR=NaF分子百分数/ AlF3分子百分数 M<3 酸性电解质 MR=2WR WR=NaF质量百分数/AlF3质量百分数。

8、添加剂对铝电解质熔体密度的影响：CaF2，MgF2的添加使电解质的密度增大。就影响程度而言，CaF2甚于MgF2，但是在添加量为5—10%时，对电解质的密度影响很小。添加剂NaCl和LiF对Na3AlF6 -Al2O3系熔体密度的影响与之相反，他们都使熔体的密度明显的降低。

9、工业铝电解质的密度：当工业电解质的摩尔比在2.4—2.7范围内，Al2O3浓度为4—6%，CaF2为2—4%时，其密度为2.095—2.111（g/cm3）。比铝液的密度（2.3）低0.2 g/cm3左右。

10、熔体的导电率是指1cm，截面积1cm2的体积的熔体的电导，也称为比电导。

11、添加剂对铝电解质粘度的影响：随着MgF2和CaF2含量的增加，熔体的粘度也随之增加；NaCl和LiF的添加将使得冰晶石—氧化铝熔体的粘度降低。粘度大，熔体的电导率降低；粘度小，导电率增高，但却加速了铝的溶解与再氧化反应而使电流效率降低。

12、电解质的分类：用分子比分为酸性，中性，碱性。电解槽用酸性电解质。电解槽采用酸性电解质的原因：1）酸性电解质满足铝在电解质中的溶解度小2）电解质中Na+浓度不太高3）电解质的初温温度低4）结壳松软，便于加工。

两极上的放电反应：阳离子向阴极移动：Al3+（配离子）+3e→Al阴离子向阳极移动：2O2-（配离子）+C-4e=CO2(C为阳极)；2O2-（配离子）-4e=O2(惰性阳极)。主反应：2Al3+（配离子）+3O2-(配离子)+1.5C=2Al+1.5CO2

2、分解电压：维护长时间稳定电解，并在电极上获得电解产物所必须外加到两极上的最小电压。测定的主要方法：测定化学电池的电势。惰性电极（Pt电极）测得的分解电压为2.1~2.2V，活性电极（C电极）测得的分解电压为1.15~1.16V。

3、Al2O3在950℃生成的分解电压：惰性阳极2.224，活性阳极1.2

4、两极上发生副反应：阳极副反应：1）阳极气体的二次氧化作用2）阳极过电压3）阳极效应；阴极副反应：1）铝的溶解及损失2）Na+的析出。

5、临界电流密度：在一定条件下，电解槽发生阳极效应时的最低阳极电流密度。判断依据：阳极电流密度大于临界电流密度时，将发生阳极效应

6、阳极电流效应现象：阳极周围（指与熔体接触的部位）电弧耀眼夺目，并伴有噼噼啪啪的声响，阳极周围电解质却不沸腾，没有气泡大量析出。电解质好像被气体排开，电解槽的工作电压处于停顿状态。此时槽电压有原来的4V猛升到30~50V，甚至更高，与电解槽并联的指示灯发亮，表示该电解槽发生了阳极效应。

7、阳极效应的机理：润湿性变差学说P159:润湿性变差是指电解质对炭阳极底掌的润湿性变差。这种学说认为，在正常电解时，熔体对阳极底掌的润湿性良好，气泡很快地被电解质从底掌排挤出来。当熔体中Al2O3浓度降低到一定程度时，润湿性变差，致使阳极气体不能及时排走，气泡逐渐聚集成大面积的气膜，覆盖于阳极底掌上，这样，气膜就阻碍电流的畅通。电流被迫以电弧的形式穿透气膜，放出强烈的弧光和振动噪音，这就是阳极效应。

8、效应系数：每台槽一昼夜发生阳极效应的次数。（看）

9、发生阳极效应的利弊：利：1）可根据效应的情况来检查电解槽的运行情况2）可以调节电解槽的温度，有利于炭值分离；弊：1）阳极不产铝2）电压大大增加，电耗大大增加，影响产量3）由于电压升高，电解温度升高，杂质Na+ 放电，影响Al的质量。（看）

1、电流效率：电解槽通过一定电流，在一定时间，实际产铝量与理论上应产铝量之比η=（P实/P理）×100% P实=CIt×10-3kg C：铝的电化当量，表示在电解槽通过1A电流，经过1小时电解即通过3600库电量时，理论上在在阴极上所析出的铝的克数。C=0.3356g.A-1.h-1

2、电流效率降低的原因：1）铝的溶解和再氧化损失2）铝的不完全放电，3）其他离子放电：钠离子放电，杂质离子放电4）其他损失：水的电解，碳化铝的生成，熔体中电子导电。

3.极距：铝电解槽中铝液界面至阳极底掌的距离。

理论电耗：用来分解氧化铝的最小电耗量（此时没有热损失，没有铝损失，没有电流空耗，即r=1，N=1叫做理论电耗量）W理。与理论电耗W理相对应的电压称为理论电压。

4、电能效率是指生产一定数量的金属铝，理论上应该消耗的能量（W理）和实际上所消耗的能量（W实）之比。理论电耗率就是单位产铝量理论上所需要的能量。工业铝的电能消耗的分配：1）补偿反应过程的自由能变化所消耗的能量2）补偿反应物由室温T1升高到电解温度T3热焓变化所消耗的能量3）补偿反应过程束缚能所消耗的能量4）补偿电解槽四周空间的热损失所消耗的能量5）电解槽外部线路上的电能损失

降低电流效率的原因：

1）铝的溶解和再氧化损失，它是电流效率降低的主要原因。已电解出来的铝又溶解或机械混入到电解质中，并被循环的电解质带到阳极空间被阳极气体CO2或空气中O2所氧化2)铝的不完全放电高价铝离子的不完全放电是造成电流效率降低的重要因素之一。在阴极，Al3++2e→Al+；在阳极，Al+-2e→Al3+这些反应反复进行，造成电流的无功损失3）其他离子放电，主要是钠离子放电，钠离子沸点低，以气体状态蒸发或渗入槽底；钠离子放电的可能性还随着阴极电流密度的提高而增大。还有杂质离子放电，熔体中因原料哦不纯带进许多杂质，如等离子。这些离子的电位都正于铝离子，而优先在阴极上放电，其结果使铝的品位降低，电流效率降低4)其他损失水的电解、碳化铝的生成、熔体中的电子导体、阳、阴间的极短路、漏电、以及出铝时的机械损失等也都是电流效率下降的原因。

提高电流效率的途径（电流效率的影响因素）：

电流效率η= [1-kzf(Co'-C')/δD阴]*100%

1）电解温度：电解温度越大，溶解铝的扩散速度越快，电流效率损失越大，铝的二次反应加剧，铝损失增大，电流效率降低

2）极距：极距增大，搅拌作用减小，扩散层厚度增加，铝损失减小，电流效率增大，当极距超过一定程度，电解温度明显升高，对流循环加快，电流效率提高放缓趋于0

3）电解质成分：氧化铝浓度低，溶解快，熔体中无悬浮的氧化铝颗粒，有利于稳定生产，提高电流效率，能降低铝损失的添加剂有利于提高电流效率。

4）铝液高度：铝是电热良导体，它的存在，能将阳极下部多余的热量从电解槽四周疏导出去，使电解质温度趋于均匀。同时降低水平电流，提高电流效率。但当达到一定高度后，电流效率反而会随高度的增加而降低。

5）电流密度：电流密度随阴极电流密度的增大而增大，在阳极电流密度一定的情况下，缩小阴极面积提高阴极电流密度，可以提高电流效率。

6）电解质高度。

5、铝电解槽的电压平衡：

V平=△V槽+△V母+△V效，（1）电解槽工作电压（△V槽）：又简称槽电压，可以由电解槽上的电压表直接测出。槽电压包括阳极，阴极，电解质电压降和反电动势（或称实际分解电压）△V槽=△V阳+△V质+△V阴+E反（2）槽外母线电压降（△V母）（3）阳极效应分摊电压降△V效

6、铝电解槽的节能途径：

1）提高电流效率2）降低平均电压：提高电解质的电导率，降低阳极过电压，降低母线压降3）降低电解槽的热损失：增加壳面的保温料的厚度；加强槽体保温。

7、处于正常生产状态的电解槽外观特征有：

1）火焰从火眼强劲有力的喷出，火焰的颜色为淡蓝色或稍带黄线2）槽电压稳定，或在一个很窄的范围内波动3）阳极四周边电解质“沸腾”均匀4）炭渣分离良好，电解质清澈透亮5）槽面上有完整的结壳，且疏松好打

8、(了解)铝电解槽的焙烧：对自焙槽，焙烧阳极炭块；对预焙槽，焙烧阴极。预焙槽的目的：1）烘干炉体2）烧结炭糊3）提高槽膛和内衬的温度，为下一步启动做准备。对于自焙槽，除了以上目的，还为了把阳极焙烧好。

电解槽焙烧方法：1）铝液预热法2）焦粒焙烧法3）石墨粉焙烧法4）燃料预热法。

9、铝电解槽的常规作业主要包括有加料（或叫加工），出铝和阳极工作三部分加料方式：自焙槽边部加料，在两大面；预焙槽中间加料，自由下料。

加料要求：勤加料、少加料（加料次数多，每次加料量少）优点1）氧化铝溶解快，槽里不会产生沉淀2）均匀保持氧化铝浓度，提高电解质的导电率3）使电解槽中的温度波动小，保持电解槽平稳操作4）减少阳极效应的发生，使效应系数减小到0.3以下。（加料量的计算☆）

10、每二次出铝之间称之为出铝周期。中型槽一般为1—2天，大型槽每天出一次，每次出铝量大体上等于在此周期内的铝产量。

11、调节分子比的原因：电解质分子比变动1）启动期，从熔化到正常生产，分子比减小。主要是碳素材料内衬吸收分子比高的组分，使得NaF减小；2）正常生产期，分子比增大。主要是冰晶石被原料中的H2O、Na2O、CaO分解，使得NaF增多，AlF3减小，另外AlF3挥发，使得AlF3减少。调节方法：一般加AlF3来降低分子比，用Na2CO3或NaF来调高分子比。（分子比的计算☆）1、电流效率的计算(P162) η=（P实/P理）×100%

理论产铝量：M理=CIt（g）= CIt×10-3 实际产铝量：M实=Mt—Mo—∑Mi；Mt：计算周期结束时，槽中剩余的铝量（㎏）；Mo：计算周期开始时，槽中的低铝量（㎏）；∑Mi：计算周期时间出铝的总量（㎏）

2、铝电解的电能效率（P179）:ηE=（W实/W理）×100%;G=Q实/W实=0.3356η/V;电耗率 w= W实/ Q实=2.98V/η其中η表示电流效率，V表示电解槽平均电压。例1.一个64KA的铝电解槽一个月（30天）共出铝13452Kg，月初还盘存槽中的铝量为4000Kg，月末盘存加槽中铝量为4150Kg.求该槽本月的电流效率。答：η=[(P2-P1）+Mi]/CIt*10-3

=(4150-4000+13452)/0.3356*64000*30*24*10-3=87.96%

例2.已知电解质的重量为6吨，其中CaF23%，Al2O35%，分之比3.0。今欲调整分之比为2.6.求所需加AlF3？

答：（1）原有电解质中NaF、AlF3、各有多少公斤？

NaF+AlF3=6000*（1-3%-5%） [NaF]/[AlF3]=M=3

M=2W，W=1.5 W=NaF/AlF3=1.5

由上推出：NaF=3312Kg,AlF3=2208Kg,

(2)求所需AlF3的量？

M=2.6 M=2W，W=1.3

3312/（2206+x）=1.3 得出x=339.7Kg

过电压的构成：（1）阳极反应的反应过电压；（2）阳极电阻过电压（气膜电阻）；（3）浓差过电压；（4）势垒过电压。

铝的电化当量：在电解槽通过1A电流经过1小时，理论上阴极所应析出的铝的克数，用C表示。

铝电解生产对电解质性质的要求：1、密度：铝与电解质之间的密度差要大于0.2g/cm3。2、导电度要大。3、表面性质：（1）铝液与阴极炭块之间的界面张力要大；（2）铝液与电解质之间的界面张力要大；（3）电解质与阳极炭块之间的界面张力要小；（4）铝液与侧面炭块之间的界面张力要大；（5）电解质与侧面炭块之间的界面张力要大。4、粘度要适中。5、蒸汽压要小。6、迁移数：Na+迁移数要大。7、铝在电解质中的溶解度要小。8、电解质中的钠离子酸度不

能太高，防止Na+在阴极放电。9、电解质的熔度（即初晶温度）要低。10、结壳要松软，便于加工。{7、8、9、10采用酸性电解质能满足要求}

造成铝损失的三个阶段：A、阴极铝在电解质中的溶解（溶解）；B、溶解的铝（Al+、Na、Na2+、Al）向阳极转移（扩散）；C、溶解铝转移到阳极附近被阳极中的CO2（或空气中的氧）所氧化。关于铝损失的控制阶段——扩散。