篇一：电解铝厂及规模
篇二：铝电解槽发展史
铝电解槽发展史
从1886年到现在，Hall—Heroult的冰晶石—氧化铝熔盐电解法，已经快有120年历史了，在此期间，此电解炼铝的工艺和方法原理没有变化，然而期电解槽的结构发生了很大变化。铝电解生产由最初的电耗40kWh/kg.Al【】电流效率75%，（1889年Heroult槽）】和电耗31 kWh/kg.Al【电流效率80%，（1892年Hall槽）】，降到现在的电耗12.5 kWh/kg.Al（直流电耗），电流效率96%以上。电解槽的容量（电流）由最初的几千安培，增加到现在的500kA。电解槽结构按阳极特性来划分，经历了从预焙阳极到侧插自焙阳极，到上插自焙阳极，又到预焙阳极的阶段。期间也出现过连续预焙阳极试验电解槽，但未成功推广。
电解槽初期阶段，是小型预焙阳极电解槽，图
1.
图11912年Heroult的12000A电解槽 电耗25000kW·h/tAl,阴阳极电流密度1.0～1.2A/㎝
当时槽容量是12000A，电耗25000kw.h/t.Al，阳极电流密度1.0—1.2A/㎝,特点是电流小，电压高，阳极电流密度大，电耗高，电流效率低。
现代铝工业上有两类、共四种形式的电解槽： ·自焙阳极电解槽 侧插棒式 上插棒式 ·预焙阳极电解槽 不连续式
2
2
连续式
自焙槽起始于1923年，是由挪威人在生产铁合金电路连续自焙电极的基础上发展起来
的。在20世纪60年代，侧插自焙槽最大电流达到100kA，上插自焙槽在20世纪50—70年代，在世界范围内得到了很大发展，其电解槽的最大电流达到了170—180kA，当时指标是：电流效率88～90%，电耗15000 kw.h/t.Al。
自焙槽特点有：
① 使用的阳极糊靠电解槽自身的热量使其焙烧成良好的导电体，使电解槽上部散热得到合理利用。综合节能。
②由于直接使用阳极糊，节省了预制阳极过程的成型，被烧，加工，阳极组装等工艺与工序工程，以及该过程需要的燃料和各种消耗及劳动费用于投资。阳极的制造成本。
③不需要定期更换阳极，工艺简单，劳动强度低，对电解正常运行干扰少。 ④机械化和自动化操作程度低，劳动强度大。 ⑤集气效率低，劳动条件差。
⑥阳极糊产生的大量碳氢化合物等气体不能同电解产生的氟化氢等气体分开，混在一起，不容易回收，对环境污染。
图2、图3、图4为各个时期铝电解槽简图
图2 连续式预焙阳极电解槽简图
1—阳极炭块 2—阳极棒 3—阳极母线 4—槽壳 5—阳极炭块接缝6—阴极炭块 7—阴极棒8—保温层
图3 20世纪60～80年代以前广为使用现仍有少量存在的侧插阳极棒自焙阳极电解槽
图4 20世纪80年代前广为使用的上插阳极棒自焙阳极电解槽
图5当代的预焙阳极电解槽
预焙阳极电解槽的优点是：阳极已经预先焙烧好，不再在电解槽上散发沥青烟气，电解厂房烟害少；阳极压降低；电解槽上部金属结构和阳极结构简单；可以大型化，操作的机械化和自动化程度较高，电流效率高，电耗率较低。
当然，各种槽型各有优缺点。表1列出了从1890年以来100余年各种电解槽的发展概况，表2列出了现代率电解槽的技术参数和生产指标。
表1 工业铝电解槽的发展概况 （表中η为电流效率，%；ω为电耗率，kw.h/kg）
表2 现代工业铝电解槽的技术参数和生产指标
随着阳极碳块制造技术的发展，特别是能生产出性能更好的预焙阳极炭块，推动了预焙阳极电解槽的发展。点式下料技术的发明和应用，计算机技术推广，多功能天车的研发与推广，磁场设计更先进可靠，是预焙阳极电解槽的各项指标达到一个更好的水平。
篇三：铝电解汇总
1、熔度：有两种或更多的晶体组成的混合熔体，在冷凝时有一个固定的初晶温度，即熔度
2、电导率：指长1cm，截面积1cm2的体积的熔体的电导，也称比电导
3、离子迁移数:某种离子输送电荷的数量，或输送电荷的能力
4、近程有序规律：根据液体与固体结构相似的理论，晶体在略高于起熔点的温度下，仍然有不同程度地保持着固态质点所固有的有序排列
5、热分解：冰晶石熔化时进程有序排列（AlF63-）破裂程度
6、分解电压：维持长时间稳定电解，并获得电解产物所必需外加在两极上的最小电压（实际分解电压>理论分解电压）理论分解电压等于两平衡电极电位之差
7、润湿角：又称接触角，是液滴曲面切线与所接触的固相表面的夹角
8、临界电流密度：指在一定条件下，电解槽发生阳极效应时的最低阳极电流密度
9、效应系数：每昼夜发生阳极效应的次数
10、铝的电化当量：在电解槽通过1A电流并经1小时后，理论上阴极应析出铝的克数（C=0.3356g/A.h）
11、电流效率：当电解槽通过一定的电量时，实际产铝量与理论产铝量之比。
12、极距：极距是指阳极底掌到阴极铝液镜面之间的距离
13、电能效率：生产一定数量的金属铝，理论上应该消耗的能力和实际上消耗的能量之比（电能效率=电压效率x电流效率）
理论电耗率：单位产铝量理论上所需要的能量
理论电耗：为了使电解过程连续而稳定的进行，理论上所应付出的最低电能
16、电解槽的能量平衡：指电解槽单位时间内外部供给它的能量与它本身在周围环境进行物质交换与能量交换过程中所消耗的能量之间的平衡。A供=A消
17、温度基础：能量平衡计算的基准温度，或参照温度
1、黑色金属：Fe、Cr、Mn，有色金属：包括除黑色金属之外的所有金属，分为：重金属、轻金属、贵金属、稀有金属。
2、电解槽是电解炼铝的核心设备。
3、在铝工业生产初期，电解槽采用小型预焙阳极，这跟当时电极工业的生产状况相适应。自焙阳极的采用，标志着铝电解槽结构型式发展的第二个阶段；预焙阳极电解槽的现代化是铝电解槽发展的第三个阶段。
4、阳极结构所经历的顺序大致是：小型预焙阳极—侧部导电自焙阳极—上部导电自焙阳极—大型不连续预焙阳极及连续预焙阳极—中间下料预焙阳极。
5、冰晶石—氧化铝熔盐电解法炼铝工艺分为两大组成部分：原料（包括氧化铝和电解所需的其他原料氟化盐及炭素材料）的生产、金属铝的电解生产。
预焙槽的结构主要可分为：阳极装置、阴极装置、导电母线系统。
7、铝电解槽系列和电解厂房：在铝电解生产中，是将许多同一类型的电解槽串联起来，组成电解系列的，每台电解槽的电流均相等。系列中的电解槽既可横向排列，也可为纵向。即可设置双行，也可设置单行。
9、一般说来，在纯盐熔体中添加其他化合物，都将使其初晶温度降低。这是由于纯盐化合物添加了其他化合物混合熔体后，化合物中的质点产生相互作用，削弱了原来质点间的相互作用之故。
10、在铝电解生产中，电解质—铝液界面张力增大，有利于铝液镜面的收缩，使铝的溶解损失减少，从而提高电流效率。许多研究表明，往电解质中添加CaF2和MgF2 可使铝损失降低。
11、能降低熔体表面张力的物质称为表面活性物质，反之则为非表面活性物质。
12、润湿角越大，润湿性越差，界面张力大；润湿角越小，润湿性越好，界面张力小。
13、铝电解质的离子迁移是靠Na+来传递的。
14、远程序：AlF63- 与Na+之间的交替排列，延伸到较远距离的质点排列的一种规整性。Na+与F-距离为0.221—0.268nm。
15、理论分解电压=两个平衡电极电位之差值，亦即分解电压在数值上等于这两个电极所构成的原电池的电动势。实际分解电压等于两个非平衡电极电位的差值（实际分解电压又称极化电压）。
16、阳极过电压：阳极反应的反应过电压、阳极电阻过电压（气膜电阻）、浓差过电压、势垒过电压。
17、铝电解槽上电流效率的降低主要原因：是由于已电解出来的铝又溶解或机械混入到电解质中，并被循环着的电解质带到阳极空间或电解质表面为阳极气体中的CO2或空气中的氧所氧化。
18、铝损失的机理分为：溶解、扩散、氧化三个步骤。
19、电解温度每降低10摄氏度，电流效率提高约1.5%。
20、电能效率=电压效率×电流效率。由于在一定条件下，理论电压是常数，因此，电能效率只能随着电流效率与电解槽平均电压而变。
21、加料的目的：保持电解质中氧化铝浓度稳定。加料的要求：勤加工，少下料。加料的好处：（1）氧化铝熔解快，槽里不会产生沉淀；
（2）可均匀保持低氧化铝浓度，提高电解质的导电率；
（3）使电解槽中的温度波动小，保持电解槽平衡操作；
4）减少阳极效应的发生，使效应系数减少到0.3以下。
22、出铝：按照出铝进度表出铝。每次取出的铝量差不多等于该期内产出的铝量。电解槽在出铝之后通常保留一定厚度的铝液层。
出铝周期：每两次出铝之间的时间（根据铝电解槽容量大小而定）中型槽一般为1-2天，大型槽每天出一次。出铝设备：真空抬包
23、铝电解槽的常规作业：加料、出铝、阳极工作。
24、铝电解槽的全部生产过程包括三个阶段：焙烧、启动、正常生产。
25、新电解槽的焙烧方法：电焙烧（焦粒焙烧法）、铝液焙烧法、燃料焙烧法。
26、新电解槽的焙烧目的：新槽在投入生产之前先要焙烧，其目的在于焙烧阳极（对预焙阳极而言，则为加热）以及加热阴极，达到预定温度，以利于下一步的启动操作。
27、铝电解槽启动的任务：是在槽内熔化电解质，同时开始电解。
28、铝电解槽启动方式有：干式启动、常规启动
29、干式启动：适用于启动新系列中的头几台槽，当时电解厂房内尚无现成的熔融电解质可供使用，只好在本槽内熔化所需的全部电解质。
30、常规启动：在开始时往槽内倒入从其他槽中取出的熔融电解质，以加速启动过程，并缩短启动时间。
32、阴极副反应：铝的溶解及损失，钠离子的析出。
33、阳极副反应：阳极气体的二次氧化作用，阳极过电压，阳极效应。
34、添加剂：以冰晶石为基本成分，向其中加入的其他成分，叫添加剂。
35、密度：为了能使电解质与铝液很好的分离，要求两者的密度差要大于0.2g/cm3.
36、铝电解用炭素材料主要包括：阳极糊、预制阳极块、侧部炭块、底部炭块。
37、生产碳素阳极的原料：骨料（石油焦、沥青焦）、粘结剂。
38、由图8—1知，炼铝所用原料：直流电、冰晶石、氧化铝、氟化盐、炭素材料。
三、解答题
1.铝电解对电解质的要求：①电解质的熔度（初晶温度）要低。即能保持铝为熔融状态（AlT熔=660℃，电T熔=950℃左右）又不要超过其熔点太多，否则，能耗大；②电解质对氧化铝的溶解度要大。可以使电解过程的操作简便，减少病槽；③电解质的导电性要好。才能大幅度地降低能耗，提高电流效率，多产铝；④电解质对铝的溶解度及损失要小。
2.霍尔—埃鲁特法（H—H法）
基本原理：在电解温度（950～960℃）下，冰晶石及氟化物呈熔化状态，加入的氧化铝Al2O3溶解于其中，形成熔融的电解质。熔融电解质是装在电解槽的槽膛内，炭素阳极部分沉于电解质中，阳极底掌与炭素阴极上的一层熔融的铝液保持一定的距离（极距），生产时铝液便成为实际的阴极。直流电流通过阳极经过电解质层，由阴极导出，进行电解，此时，氧化铝被分解，在阴极上不断地产出铝，阳极上不断地有阳极气体（主要为CO2）排出，这样，Al2O3不断地消耗，Al不断地生成。Al2O3 + 1.5C = 2Al + 1.5CO2
优点：（1）冰晶石中不存在析出电位比铝更正的元素，这样可避免其他金属离子在阴极上放电而降低铝的质量；（2）熔融的冰晶石易于溶解氧化铝；（3）氧化铝的熔点为2030℃，而Al2O3与Na3AlF6形成熔体后，其初晶温度降为930～980℃；（4）熔融的冰晶石或冰晶石—氧化铝熔体具有较小的密度；（5）有较合适的粘度；（6）具有较好的导电性；（7）氧化铝—冰晶石熔体不与槽内村起电化学反应；（8）在电解温度具有较小的挥发性。
缺点：（1）Al2O3—Na3AlF6熔体这种电解质的初晶温度较高（能耗高）；（2）导电性还不够好；（3）腐蚀性较强；（4）劳动条件较差，污染较严重（ALF3挥发，HF挥发）；（5）单位面积产能较低。
3.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要大于0.2g/cm3，例如950℃时，铝液的密度为2.3g/cm3，电解质的密度应小于2.1g/cm3。
2、导电度：大（减少能耗，降低成本）。
3、表面性质：（1）铝液与阴极炭块之间的界面张力要大（界面张力小，会渗入阴极炭块，导致破裂，形成早期破损），湿润角大，湿润性差；（2）铝液与电解质之间的界面张力要大（湿润角大，湿润性差）；（3）电解质与阳极炭块之间的界面张力要小，湿润角小，湿润性好；（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：适当（分子比2.7—2.5时，电解初期3.65—3.50厘泊，电解末期2.95—2.80厘泊）。
5、蒸气压：蒸气压要小一些（电解质的挥发小）。
6、迁移数：某种离子（如Na+）迁移数要大，整个电解质导电性能好。
7、铝在电解质中的溶解度要小（酸性好）。
8、电解质中钠离子浓度不能太高（防止Na+在阴极上放电）（酸性）。
9、电解质的熔度（即初晶温度）要低，在氧化铝中加入冰晶石可降低温度（省电）。
10、结壳要松软，便于加工（酸性比碱性好）。
注意：7、8、9、10是工业铝电解槽采用酸性电解质的原因，铝电解分子比是指在电解质溶液中，NaF与AlF3的摩尔之比。
5.处于正常生产状态的电解槽的外观特征有：
（1）火焰从火眼强劲有力地喷出，火焰的颜色为淡紫蓝色或稍带黄线；（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。
6.铝电解生产中向电解质加入添加剂的目的是：为了改善原有电解质性质，满足生产过程对电解质性质的要求。对加入的添加剂的基本要求：
（1）在电解过程中不被电解成其他组成元素而影响铝的质量。（2）添加剂应能对电解质的
性质有所改善（如降低电解质的初晶点，提高电解质的导电率，减小铝的溶解度，减小电解质的密度等）。（3）它的吸水性和挥发性要小，即加进前含水量要少，因为水会发生如下反应：2Na3AlF6 + 3H2O = Al2O3+ 6NaF + 6HF↑ 2AlF3 + 3H2O = Al2O3 + 6HF↑ 2NaF + H2O = Na2O + 2HF↑（4）对Al2O3的溶解度不能有较大的影响。（5）来源广泛且价格低廉。 阳极效应的去除：在生产实践中，只要向电解质中添加一定量的Al2O3，电解质的润湿性便又恢复到正常水平，在人为的帮助下，如刮底掌、搅动铝液冲刷阳极底掌、下降阳极等方法，排出气泡阳极效应便告熄灭。
阳极效应的优缺点：优点：阳极效应的发生意味着电解质中Al2O3含量已经很低，说明电解槽工作在正常进行；利用阳极效应来清楚熔体中的碳渣，烧平阳极底掌，溶解槽底沉淀。缺点：阳极效应的发生造成电解质的过热和挥发损失增加；导致了系列电流的降低；增加了额外的电能消耗。
工业铝电解槽阳极电流密度一定，当电解质中Al2O3浓度减少到0.5%~1.0%，变超过了临界电流密度，于是发生阳极效应
阳极效应的作用：（1）造成电解质过热和挥发损失的增加；（2）导致了系列电流的降低；（3）增加了额外电能的消耗；（4）阳极效应的发生意味着电解质中氧化铝的含量已经很低，说明电解槽工作在正常进行；（5）利用阳极效应清除熔体中的炭渣，烧平阳极底掌，溶解槽底沉淀。
9.为什么要调整分子比：因为电解质分子比在变动：（1）在启动期，从熔化到正常生产，分子比减小的，主要是炭素材料内村吸收分子比高的组分，使得NaF减少。（2）在正常生产期，分子比变化增大，AlF3减少，使得分子比增大。
3H2O + 2Na3AlF6 = 6HF + Al2O3 + 6NaF 3Na2O + 2Na3AlF6 = Al2O3 + 12NaF
3CaO + 2Na3AlF6 = Al2O3 + 3CaF +6NaF
调整方法：一般用加AlF3来降低分子比，用加Na2CO3或NaF来提高分子比。
10.影响Na+与Al3+析出电位的因素：（1）分子比要小些（2）电解温度要低些（3）尽可能大的氧化铝浓度（4）良好的传质条件，防止Na+在阴极上大量积累。
11.研究电解质熔度的意义：电解过程的温度至少应该高出电解质的熔度20～30℃，是与电解质的组成相联系的，铝电解过程的的温度一般为950℃左右，比铝的熔点（660℃）高了很多，如果铝电解过程的温度能够降低，对于降低电能消耗，减少电解质的损耗，延长设备的寿命都有好处。
12.工业铝电解槽的电能消耗分配（实际电耗量）：（1）补偿反应过程吉布斯自由能变化所消耗的能量（2）补偿反应过程的束缚能所消耗的能量（3）补偿反应物（Al2O3与C）由室温t1升高到电解温度t3的热函变化所消耗的能量（4）补偿铝电解槽向周围空间的热损失所消耗的能量（5）补偿体系内电解槽外母线的热损失所消耗的能量
13.加料的好处：1氧化铝熔解快，槽里不会产生沉淀2）可均匀保持低氧化铝浓度，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，使效应系数减少到0.3以下。
14、为什么电解铝盐水溶液在阴极上得不到铝：因为铝属于轻金属，具有很强的活泼性，用传统的C还原和水溶液电解都不能制取符合工业要求的金属产品，只能采取用非水溶液电解质或者其他方法（如加热还原法、熔盐电解法）才能得到金属，这样的电解质主要是熔盐。
15、电流效率降低的原因：（1）铝的损失：已电解出来的铝又溶解或机械混入到电解质中，并被循环着的电解质带到阳极空间或电解质表面为阳极气体中的CO2或空气中的氧所氧化。
2）其他离子放电：这里主要是钠。(3)电流空耗：①铝离子不完全放电：②漏电：(4)密度、浓差过电压、添加剂、电解质的组成、温度
16. 电解温度、电解质组成、极距、电流密度和铝液高度对电流效率的影响：
①电解温度升高时铝在熔体中的溶解度增大，熔体的黏度变小则电解质的循环速度将增大，意味着扩散层的厚度变小；扩散系数D也随着温度的升高而增大；因此，电解温度升高，q值增大，意味着铝的二次反应加剧，铝的损失增大，电流效率降低。②电解质组成：所谓电解质成分主要指电解质的酸度（NaF/AlF3摩尔比）与电解质中Al2O3浓度而言。在摩尔比2.0以上，电流效率随摩尔比的降低而增加；电解质摩尔比过低，使生成低价铝的反应增强，这对电流效率不利，目前，工业铝电解质的摩尔比一般波动于2.5-2.7之间。
③极距：随着极距的增大，电解质搅拌强度减弱，使扩散层厚度增大使铝损失减少，电流效率提高；④电流密度：随着阴极电流密度增大，电流效率增大；随着阳极电流密度的增大而使电流效率降低。
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