铝电解设计

D平均 = D阳 D阴
在设计与工业生产中一般取阳极面积电流作为设计和计算的基础。
现代铝电解工业
技术条件
电解质水平和铝水平：电解质水平是指电解槽中电解质的深度（16~22cm）；铝水平是指电解 槽中铝液的深度（20~30cm）。 极距：阳极底面与铝液镜面间的距离（≥4cm）。极距的变化会引起电解质压降的变化，造成槽 电压的波动，影响电解槽的能量平衡，进而引起氧化铝浓度的改变，最终影响电流效率。
1863.4.10-1914.5.9
铝电解技术发展与变化回顾
图1 Héroult的铝电解槽简图(1886年4月23日)
图2 1887年的Héroult电解槽简图
铝电解技术发展与变化回顾
铝电解机理： 氧化铝的溶解： Na AlF ＝3Na AlF 3 3 6 6
2 AlF63 Al2O3 3AlOF32 AlF3
1-阳极炭块；2-阳极棒；3-阳极母线；4-槽壳； 5-炭块接缝；6-阴极炭块；7-阴极棒；8-保温层
连续预焙阳极电解槽
铝电解技术发展与变化回顾
预焙槽（不连续预焙阳极）
1-阳极母线；2-集气罩；3-阳极炭块； 4-电解质结壳；5-阴极炭块；6-阴极钢棒
1-氧化铝；2-气缺；3-阳极母线；4-阳极导杆； 5-槽罩；6-电解质结壳；7-边部结块；8-炭素内 衬；9-阴极炭块；10-阴极钢棒；11-保温层
铝电解技术发展与变化回顾
自焙槽
Luzatto, 意大利 1939
VSS Test Pot. FISKAA Ca. 1950
自焙槽
铝电解技术发展与变化回顾
VSS-POT 80kA. Switzerland Suriname
VSS-POT 170kA.
自焙槽
铝电解技术发展与变化回顾
左上 Reynolds, Alabama（美国） 1942 右上 Elkem（挪威） 1945
c)
铝电解技术发展与变化回顾
自焙槽（1923年挪威人发明）
早期的自焙槽类似于一个用于生产铁合金的自焙电极矿热炉。挪威人发明 的这个自焙阳极电解槽也是从铁合金电炉中衍变过来的。
C. W. Søderberg
铝电解技术发展与变化回顾
自焙槽
阳极：由阳极糊烧结而成，呈矩形。外壳用薄铝 板制作。阳极棒用软钢制作，从阳极侧面插入， 与水平呈15~20°角，一般有4排。阳极糊的下部 经焦化作用烧结为锥体，高度为500-700mm，上 面的液体糊约为400mm。 阴极：采用长方形钢体槽壳，外部用型钢加固。 槽壳内部自下而上硅酸钙保温板、二至三层硅藻 土砖、 氧化铝填料、二层粘土耐火砖和碳素垫， 最上面安放阴极炭块组。炭块组由炭块和阴极钢 棒构成，阴极钢棒和炭块之间用生铁浇铸。炭块 之间的缝隙用碳素底糊分层捣固。槽壳侧壁由外 至内砌筑二层石棉板、一层耐火砖和两层侧部炭 块。槽膛内壁上通常用炭糊捣制斜坡。 上部金属结构：包括支柱、平台、氧化铝料斗、 阳极升降机构、槽帘和排烟管道。电解槽是密封 的，阳极产生的烟气由管道排出。槽帘有平板式 和卷帘式两种。 导电母线：阳极母线、阴极母线和立柱母线均由 铝板制作，阳极小母线采用铜板和软铜片焊成。
氧化铝的化学纯度：通常含有 Al2O3(98.5%)及少量的SiO2、Fe2O3、 TiO2、Na2O、CaO和H2O。其中：水分 的作用是分解冰晶石、引起氟盐消耗； 增加铝液中的氢含量；产生HF气体污 染环境。
铝电解生产工艺流程简图 国产氧化铝的质量标准（YB814-75)
现代铝电解工业
原料及辅料
或者：
3Na NaAlCl4 Al 4NaCl
铝电解技术发展与变化回顾
工业铝电解槽冰晶石铝电解技术，由美国人霍尔（Hall） 和法国人埃鲁特（Heroult）于1886年发明。
Charles Martin Hall
Paul L.T. Héroult
1863.12.6-1914.12.27
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1825年，丹麦化学家Φrsted：
AlCl3 3K (汞齐) Al (汞齐) 3KCl
1854年，法国小学教师Deville
3Na AlCl3 Al 3NaCl
AlCl3 NaCl NaAlCl4
其总反应为：
3Na 4 AlCl3 Al 3NaAlCl4
阳极：C 2O2（络合的） 4e CO2
阴极：Al 3 3e Al
3 3 总反应：Al2O3 (溶解的) C (固) Al (液) CO2 (气) 2 2
铝电解技术发展与变化回顾
a)
小型预焙槽（1923年以前）
b)
a) 1889年Hé roult-4000A电解槽 (槽电压10V 电耗40000KWh/t•Al) b) 1892年Hé roult-4000A电解槽 (槽电压9V 电耗35000KWh/t•Al) c) 1912年Hé roult-12000A电解槽 (电耗25000 KWh/t•Al 阳极电流密度1.0～1.2A/cm2)
原国内铝厂的技术条件
现代铝电解工业
技术经济指标
电流效率：电解槽的实际日产原铝量与理论日产原铝量之比。

1000000Q 100% 0.3356 It
其中：η—电流效率；Q—电解槽的原铝日产量，t；I—电流强度，A；t—电解槽日工作时间，h 槽电压：电解槽电压表上所示的电压值，也称工作电压。一般指电解槽立柱母线下端起到阴极 母线出端的一段电压降。
1-捣固糊；2-预焙阴极； 3-阴极棒；4-耐火砖和保温砖
三种阴极结构示意图
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预焙槽
阴极炭块种类：无定形炭块、半石墨化炭块、石墨化炭块
不同种类阴极炭块的物理性质
底糊（用在底部炭块之间、四周和底部）的作用：使阴极更加致密，防止电解质和铝 液向下渗漏。炭块周边的底糊还起到缓冲作用，吸收底部炭块因受热而产生的热膨胀。 底糊的成分：底糊中的骨料炭通常是煅后无烟煤，粘结剂一般是煤焦油和煤沥青，以 及适量的溶剂和添加物（目的在于降低其软化点，提高焦炭产出率）。如添加一定量 的热塑性树脂或热稳定性树脂，以降低固化温度及减少多环芳香烃的排放量。在某些 配方中还使用糖蜜或添加沥青粉末。
边部加工、打壳下料预焙阳极电解槽
中间下料预焙阳极电解槽
在阳极和阴极方面是相同的，在下料方式和自动控制上存在区别。
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预焙槽
阳极炭块组：阳极导杆、钢爪和炭块。
铝导杆用铝硅合金（95%Al+5%Si) 制作。铝导杆上端用夹具紧固在 阳极母线大梁上；下端与钢梁的 连接采用爆炸焊，钢梁下面焊接 圆柱形钢爪。 阳极炭块用振动成型机成型，炭 块上留有炭碗。钢爪插入炭碗中， 在钢爪和炭碗之间浇注铸铁。浇 铸完成后，在铸铁上面用炭糊捣 固。电解时炭糊在电解槽上自行 烧结，可防止钢爪受电解质浸蚀， 并起到减小Fe-C之间电压降的作 用。
现代铝电解工业
技术条件
电流强度：1888年的4000A，1945年发展到20~60kA，目前到280~500kA， 试验槽容量已达600kA。 增加电流强度的好处：基建投资降低；变电所、整流所等辅助生产设施及工 人的的生活福利设施减小。即电解槽电流强度增大，投资和生产成本降低。 电解槽容量的选择：自20世纪70年代以来，世界上新建的电解铝厂广泛采用 了预焙槽。该槽型电耗低、生产稳定、污染小、易于大型化，其中中间下料 预焙槽密封性更好，利于环保和节电。
电解槽阴极结构
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预焙槽
阴极炭块组：整体阴极、由炭块和炭糊组成的阴极、粘接的半整体阴极
整体阴极：全部炭素体用塑性的 炭糊就地捣固而成。 特点：费用低，但焙烧时放出大 量焦油烟气和多环芳香族碳氢化 合物，导致阴极内部缺陷较多， 污染环境。 由炭块和炭糊组成的阴极：常用 的设计方案，但炭糊部分是一个 薄弱环节。 粘接的半整体阴极：砌筑前把阴 极炭块切削好，炭块之间用粘胶 粘接。可以延长阴极的使用寿命， 但在电解槽中仍然保留周边炭糊。
电解质分子比：电解质中NaF的摩尔数与AlF3的摩尔数之比（2.2~2.6）。分子比与电解温度相适 应，选择高分子比时电解温度也应相应提高。
电解温度：一般高于电解质初晶温度20℃以上（930~960 ℃） 。随电解温度升高，电流效率会 有一定程度的下降。 效应系数：平均每台电解槽每天发生阳极效应的次数。发生效应期间：输入功率为平常的数倍， 电解过程基本停止，电解质过热，电流效率降低，消耗大量的电能。
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预焙槽
铝母线：阳极母线、阴极母线、立柱母线 连接阴极母线的卡具
电解槽铝母线
铝母线的配置方式： 大型预焙槽采取横向排列方式，采用双 端或四端进电。 中、小型槽采用纵向排列方式，电流的 供入方式为单端或双端。
现代铝电解工业
铝电解车间
中间下料预焙阳极电解槽
现代铝电解工业
原料及辅料
180/300kA两种电解槽投资方案比较（年产20万吨）
现代铝电解工业
技术条件
面积电流：电流与导电面积的比值。
D I
S
其中：D-电流密度，A·cm-2；S-导电面积，cm2；I-电流强度，A 阳极面积电流：D为阳极的断面面积 阴极面积电流： D为阴极铝液的镜面面积 电解质面积电流： D为电解质的横断面积 电解质的面积电流可用阳极面积电流和阴极面积电流的均方根表示：
右下 挪威, Søderberg 停槽
(Hydro 2009.3.13)
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预焙槽
连续预焙阳极电解槽的特点： 用特制的炭素糊把预焙阳极粘接起来， 在高温下炭素糊发生焦化作用，把上下 两层炭块粘接成整块阳极。 这种电解槽的特点是不存在阳极残极， 阳极可以连续使用，炭块单耗大大降低。 阳极作为一个整体能够消除因电流分布 存在偏差而导致的阳极消耗不均的问题 （相对于不连续预焙阳极）。 但阳极上不能用氧化铝保温，热损失增 多；炭块之间的接缝处存在接触电阻， 槽电压相对较高。
工业氧化铝的分类和特性
溶剂：冰晶石分为天然和人造两种。人造冰晶石是正冰晶石（Na3AlF6）和亚冰晶石（ Na5Al3F14）的 混合物，分子比约为2:1。 添加剂：氟化铝、氟化钙、氟化镁和氟化锂等。其中：氟化铝是主要的添加剂，其用于降低分子比， 进而降低电解温度。 冰晶石-氧化铝熔体：能够较好地导电，密度（2.1g/cm-3）比铝液（2.3g/cm-3）小，能够保证熔体分层。
旁插式自焙阳极电解槽
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自焙槽
阳极：炭阳极的外围设有阳极框套， 由10mm厚的钢板焊成，其下口比上 口宽10mm，并用型钢加固。阳极框 套的下沿设有铸铁集气罩，延伸到槽 面的氧化铝保温层内，把阳极气体汇 集到槽面对角位置上的两个燃烧器内。 阳极气体中的一氧化碳和沥青挥发物 在燃烧器燃烧，然后连同含氟气体一 并排入净化装置。 阳极棒是铝钢组合棒，铝合金导 杆连接在钢棒的上端。 阳极棒通过上层的液体糊一直插 到阳极锥体内，拔棒后留下的孔洞由 上层的阳极糊来填充。
氧化铝的物理性质：要求具有较小的吸水性、适宜的粒度、能够较快地溶解在熔融冰晶 石熔体中。加料是飞扬要小，能够严密地覆盖在阳极炭块上，防止其在空气中被氧化。 氧化铝覆盖在电解质结壳上，还起到保温作用。 用于气体净化时，氧化铝要有较好的活性和足够的比表面积，有效地吸收HF气体。 氧化铝的晶体结构：α-Al2O3和γ-Al2O3。其中γ-Al2O3活性更大，吸湿性强，在冰晶石中 的溶解度更大。
阴极：与旁插式相似。
上插棒自焙阳极电解槽
上部金属结构：两套提升装置，主提 升机构用来提升阳极母线大梁，辅助 提升机构用来提升阳极框套。为了保 持恒定的极距，需要使整个阳极下降， 而使阳极框套反向升高。
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自焙槽
机 械
化
人 工 作 业
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自焙槽
HSS Pots. 俄罗斯1955
1-铝导杆；2-爆炸过渡焊板； 3-钢பைடு நூலகம்；4-磷铁环；5-阳极块
预焙阳极炭块组
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预焙槽
阴极装置：电解槽采用长方形钢体槽壳，外壁和槽底用型钢加固。
电解槽底部结构：内侧壁砌筑一 层炭块和一层耐火砖。槽底铺一 层阴极炭块、一层碳素垫、二层 耐火砖、一层氧化铝粉和三层保 温砖。此外，通常在槽膛内打一 道斜坡。 在中间下料的预焙槽上，其 侧壁保温层有所减薄，铺设碳化 硅层，以适应电解质结壳。 炭阴极由侧部炭块和底部炭 块构成，盛装铝液和电解质，并 起到导电作用，保证电流在槽底 均匀分布，然后沿阴极棒导出。