三层液铝电解生产工艺知识讲解
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三层液铝电解生产工艺 2010年8月
原铝、精铝与高纯铝定义：
原铝（Primary aluminum)：又称一次铝，是通过 霍尔-埃鲁电解法生产的铝熔体，即从电解槽内吸出的 铝水。
纯铝（ aluminum)：铝含量最少为99.90%，并且 其它任何元素的含量不超过规定的界限值的金属铝， 实质上也就是原铝。中国有些铝厂如包头铝业有限公 司可以生产99.90%的原铝。
我国的三层液铝电解精炼工业是在第一个 五年计划期间在抚顺铝厂开始试生产，后来三 层液铝电解精炼槽经改进与发展，到20世纪70 年代抚顺铝厂的三层液铝精炼电解槽容量已达 到2.4KA，精铝生产的工艺指标较初期有了一 些进步。
此后贵州铝厂（后改为中铝公司贵州分公 司）在抚顺铝厂的基础上进行改进和提高，于 1974年建立了12KA三层液电解精炼铝系列，直 至1990年扩建65KA槽，并于2000年投产。
新疆乌鲁木齐铝厂（后改为新疆众和铝业 公司）从抚顺铝厂调入部分工程技术人员,并 于1989到贵州铝厂学习，同年建设了30kA三层 液铝电解精炼生产线。
1 精铝用途 随着国民经济的不断发展，市场对精
铝的需求量不断增加，这是由于精铝的一 些特殊性质决定的： 精铝比普铝具有更好的导电性、导热性、 可塑性、反光性和抗腐蚀性； 精铝的导磁性非常小，并且纯度越高， 导磁性愈小。
上放电，生成金属铝。而合金中的Cu、Si、Fe等元素
不溶解，在一定浓度范围内积聚在阳极合金中，这是
由于其电位均正于铝。而合金中的杂质如Na、Ca、Mg
进入电解液并积聚起来，在一定浓度、温度与电流密
度下，这些杂质不会在阴极上放电，原因是这些杂质
的电位均负于铝。这样在阴极上就得到纯度较高的铝。
即在阳极：
精铝（Refined aluminum)：用特殊冶炼方法获得 的纯度不小于99.95%的金属铝，主要方法有三层液铝 电解法、偏析法和化学法。
高纯铝（High pure aluminum)：所谓高纯铝一般没 有明确的定义，不同的国家对高纯铝有不同的定义。
三层液电解精炼法是1901年美国首先提出 的，1922年使用电解质操作成功。1932年法 国开发出低熔点的氟化物的混合电解质并成功 地制出99.99%的精铝。日本于1941年住友化 学公司独立开发氟化物电解质，开始生产制造 99.99%的精铝。
目前，国外各精铝企业用的电解质成份有 三元素的，也有四元素的（见下表）：
AlF3 BaF2 BaCl2 NaF
霍普斯
Hoops
30~38
加代 AIAG 普基公司 Gadeau 公司 Pechiney
23
48 30
住友铝 业公司 41
日本北 川公司
23
达莱斯公司 Dawless 44
30~38 _
17 2.5
35
_
18
_
60
_ 45
_
55
_
25~38 17
18 _
10
14
22
CaF2
_
MgF2
_
工作温度 900~ （℃） 1000
熔点 _ （℃）
_
_ 750~ 760 710
17 20
_ 2.5 750 780~
800 670 _
13
_
16
_
8
_
750~ 700~ _ 800 730 730 690 _
石墨 原铝
单位
内容
KA
70
V
5.5－6.0
℃
760－810
A/cm2
0.57－0.70
cm
8－10.5
cm
12－16
cm
20－26
%
30－40
97%－98%
Kw.h/k 17－18(直流)18－19(交流) g
原材料消耗量
Kg/t
35－40
Kg/t
16－21
Kg/t
12－13
Kg/t
1020－1030
Al-3e=Al3+
阴极：
Al3++3e=Al
3 三层液电解精炼槽
主要包括：阴极母线、内衬异形砖、加料室、 内衬材料、阴极、精铝液、电解质、阳极、阳 极合金、槽壳、阳极钢棒等。
由上图可知，精铝槽结构与霍尔—埃鲁 电解槽结构大致相同，不同的是阴阳极相互 倒置，槽膛内衬材质不同。用该法进行电解 时，铝精炼过程在高于铝与阳极合金的熔点 下进行，此时精炼槽中有三层液体：最下层 为阳极合金，由原铝和加重剂铜组成；中间 一层为电解质；最上一层为精炼所得的精铝 液。
4N～4N6精铝的分类用量表：
序号 1
项目 电容器箔
用量（％） 78
2
照明
12
3
硬盘
4
4
其它
6
2 三层液电解精炼法原理
三层液电解精炼法是利用精铝、电解质和阳极合
金的密度差形成液体分层，在直流电的作用下，熔体
中发生电化学反应即阳极合金中的铝进行电化学溶解，
生成Al3＋离子。Al3＋离子溶解进入电解液以后，在阴极
精铝锭
生成合金渣及表面渣 回收处理
5 三层液电解精炼槽的技术参数和经济指标
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14 15
项目 电流 工作电压 电解质温度 电解质电流密度 电解质水平 阴极铝水平 阳极合金水平 阳极合金中Cu浓度 阴极电流效率 电能消耗率
氯化钡 氟盐（按F计算）
从上表中可以看出，现行三层液铝电解精 炼工业中，所使用的电解质为纯氟化物（NaFAlF3-BaF2-CaF2)简称为纯氟系，氟氯化物 （Na3AlF6-AlF3-BaCl2-NaCl)简称为氯氟系两种。 目前我国的精铝生产厂几乎都采用的是氯氟系 电解质。
精铝及高纯铝在低温电工技术、低温电磁 构件和电子工业领域内有着特殊的用途，其中 电子工业生产电解电容器所消耗的精铝量约为 精铝产量的70％－80％Βιβλιοθήκη Baidu见4N～4N6精铝的 分类用量表。
目前世界上进行原铝精炼时主要采用的方法 为三层液电解精炼法和偏析法，前者的提纯原 理是利用熔盐电解，后者是利用凝固偏析现象。 我国主要采用的是三层液电解精炼法。
备注
出铝后 加原铝前
重量
6 三层液电解质 三层液铝电解法共分三层熔液体系，最上
一层为精铝液，中间一层为电解质，最下一层 为合金液。其中中间一层电解质液分为两种： 一种是霍普斯提出的，称为霍普斯液，由氟化 钡组成；另一种是加代电解液，由氟化铝、氟 化钠与氟化钡组成。目前，各精铝企业用的电 解质液都是以这两种电解液为基础而作了一些 改进。
在720℃～800 ℃的操作温度下，利用阳 极合金、电解质以及阴极精铝间的密度差， 使精炼槽中始终保持着三层液体的状态。
4 三层液电解生产工艺流程
原铝
电解铜
NaCl
配料
直流电
BaCl2
AlF3
配料
Na3AlF6
阳极合金炉
电解质熔化炉 生成气体 净化处理
精铝电解槽
生成气体
区域熔炼炉 锯切 高纯铝
液体精铝 精铝保持炉 精铝铸造机
原铝、精铝与高纯铝定义：
原铝（Primary aluminum)：又称一次铝，是通过 霍尔-埃鲁电解法生产的铝熔体，即从电解槽内吸出的 铝水。
纯铝（ aluminum)：铝含量最少为99.90%，并且 其它任何元素的含量不超过规定的界限值的金属铝， 实质上也就是原铝。中国有些铝厂如包头铝业有限公 司可以生产99.90%的原铝。
我国的三层液铝电解精炼工业是在第一个 五年计划期间在抚顺铝厂开始试生产，后来三 层液铝电解精炼槽经改进与发展，到20世纪70 年代抚顺铝厂的三层液铝精炼电解槽容量已达 到2.4KA，精铝生产的工艺指标较初期有了一 些进步。
此后贵州铝厂（后改为中铝公司贵州分公 司）在抚顺铝厂的基础上进行改进和提高，于 1974年建立了12KA三层液电解精炼铝系列，直 至1990年扩建65KA槽，并于2000年投产。
新疆乌鲁木齐铝厂（后改为新疆众和铝业 公司）从抚顺铝厂调入部分工程技术人员,并 于1989到贵州铝厂学习，同年建设了30kA三层 液铝电解精炼生产线。
1 精铝用途 随着国民经济的不断发展，市场对精
铝的需求量不断增加，这是由于精铝的一 些特殊性质决定的： 精铝比普铝具有更好的导电性、导热性、 可塑性、反光性和抗腐蚀性； 精铝的导磁性非常小，并且纯度越高， 导磁性愈小。
上放电，生成金属铝。而合金中的Cu、Si、Fe等元素
不溶解，在一定浓度范围内积聚在阳极合金中，这是
由于其电位均正于铝。而合金中的杂质如Na、Ca、Mg
进入电解液并积聚起来，在一定浓度、温度与电流密
度下，这些杂质不会在阴极上放电，原因是这些杂质
的电位均负于铝。这样在阴极上就得到纯度较高的铝。
即在阳极：
精铝（Refined aluminum)：用特殊冶炼方法获得 的纯度不小于99.95%的金属铝，主要方法有三层液铝 电解法、偏析法和化学法。
高纯铝（High pure aluminum)：所谓高纯铝一般没 有明确的定义，不同的国家对高纯铝有不同的定义。
三层液电解精炼法是1901年美国首先提出 的，1922年使用电解质操作成功。1932年法 国开发出低熔点的氟化物的混合电解质并成功 地制出99.99%的精铝。日本于1941年住友化 学公司独立开发氟化物电解质，开始生产制造 99.99%的精铝。
目前，国外各精铝企业用的电解质成份有 三元素的，也有四元素的（见下表）：
AlF3 BaF2 BaCl2 NaF
霍普斯
Hoops
30~38
加代 AIAG 普基公司 Gadeau 公司 Pechiney
23
48 30
住友铝 业公司 41
日本北 川公司
23
达莱斯公司 Dawless 44
30~38 _
17 2.5
35
_
18
_
60
_ 45
_
55
_
25~38 17
18 _
10
14
22
CaF2
_
MgF2
_
工作温度 900~ （℃） 1000
熔点 _ （℃）
_
_ 750~ 760 710
17 20
_ 2.5 750 780~
800 670 _
13
_
16
_
8
_
750~ 700~ _ 800 730 730 690 _
石墨 原铝
单位
内容
KA
70
V
5.5－6.0
℃
760－810
A/cm2
0.57－0.70
cm
8－10.5
cm
12－16
cm
20－26
%
30－40
97%－98%
Kw.h/k 17－18(直流)18－19(交流) g
原材料消耗量
Kg/t
35－40
Kg/t
16－21
Kg/t
12－13
Kg/t
1020－1030
Al-3e=Al3+
阴极：
Al3++3e=Al
3 三层液电解精炼槽
主要包括：阴极母线、内衬异形砖、加料室、 内衬材料、阴极、精铝液、电解质、阳极、阳 极合金、槽壳、阳极钢棒等。
由上图可知，精铝槽结构与霍尔—埃鲁 电解槽结构大致相同，不同的是阴阳极相互 倒置，槽膛内衬材质不同。用该法进行电解 时，铝精炼过程在高于铝与阳极合金的熔点 下进行，此时精炼槽中有三层液体：最下层 为阳极合金，由原铝和加重剂铜组成；中间 一层为电解质；最上一层为精炼所得的精铝 液。
4N～4N6精铝的分类用量表：
序号 1
项目 电容器箔
用量（％） 78
2
照明
12
3
硬盘
4
4
其它
6
2 三层液电解精炼法原理
三层液电解精炼法是利用精铝、电解质和阳极合
金的密度差形成液体分层，在直流电的作用下，熔体
中发生电化学反应即阳极合金中的铝进行电化学溶解，
生成Al3＋离子。Al3＋离子溶解进入电解液以后，在阴极
精铝锭
生成合金渣及表面渣 回收处理
5 三层液电解精炼槽的技术参数和经济指标
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14 15
项目 电流 工作电压 电解质温度 电解质电流密度 电解质水平 阴极铝水平 阳极合金水平 阳极合金中Cu浓度 阴极电流效率 电能消耗率
氯化钡 氟盐（按F计算）
从上表中可以看出，现行三层液铝电解精 炼工业中，所使用的电解质为纯氟化物（NaFAlF3-BaF2-CaF2)简称为纯氟系，氟氯化物 （Na3AlF6-AlF3-BaCl2-NaCl)简称为氯氟系两种。 目前我国的精铝生产厂几乎都采用的是氯氟系 电解质。
精铝及高纯铝在低温电工技术、低温电磁 构件和电子工业领域内有着特殊的用途，其中 电子工业生产电解电容器所消耗的精铝量约为 精铝产量的70％－80％Βιβλιοθήκη Baidu见4N～4N6精铝的 分类用量表。
目前世界上进行原铝精炼时主要采用的方法 为三层液电解精炼法和偏析法，前者的提纯原 理是利用熔盐电解，后者是利用凝固偏析现象。 我国主要采用的是三层液电解精炼法。
备注
出铝后 加原铝前
重量
6 三层液电解质 三层液铝电解法共分三层熔液体系，最上
一层为精铝液，中间一层为电解质，最下一层 为合金液。其中中间一层电解质液分为两种： 一种是霍普斯提出的，称为霍普斯液，由氟化 钡组成；另一种是加代电解液，由氟化铝、氟 化钠与氟化钡组成。目前，各精铝企业用的电 解质液都是以这两种电解液为基础而作了一些 改进。
在720℃～800 ℃的操作温度下，利用阳 极合金、电解质以及阴极精铝间的密度差， 使精炼槽中始终保持着三层液体的状态。
4 三层液电解生产工艺流程
原铝
电解铜
NaCl
配料
直流电
BaCl2
AlF3
配料
Na3AlF6
阳极合金炉
电解质熔化炉 生成气体 净化处理
精铝电解槽
生成气体
区域熔炼炉 锯切 高纯铝
液体精铝 精铝保持炉 精铝铸造机