第二章(铝电解的原材料及能源)

章节2铝电解原材料及能源课时12课时教学方法教学目标：1、要求学生掌握氧化铝的制作方法。2、掌握氟化盐的生产方法。3、掌握预焙阳极的简单制作和组装4、了解铝电解中直流电是如何获得的教学内容：铝电解用的原材料大致分三类：原料——氧化铝；熔剂——氟化盐(包括冰晶石、氟化铝、氟化钠、氟化镁、氟化钙、氟化锂等)；阳极材料——预焙炭块(预焙槽)。2.1氧化铝氧化铝是一种白色粉状物，熔点为2050℃，沸点为3000℃，真密度为3.5-3.6g/cm3，容积比重为1g/cm3。它的流动性好，不溶于水，能溶解在熔融的冰晶石中。它是铝电解生产的主要原材料。氧化铝在电解生产中的作用是：a.不断地补充电解质中的铝离子，使其浓度保持在一定的范围内，保证电解生产的持续进行；b.氧化铝覆盖在电解质壳面上可以起到良好的保温作用，覆盖在阳极炭块上防止阳极氧化；c.在烟气干法净化系统中充当吸附剂，用来吸附电解烟气中的氟化氢（HF）气体。根据氧化铝的物理性能不同，可分为三类：砂状、粉状和中间状。因为砂状氧化铝具有流动性好，溶解快，对氟化氢气体吸附能力强等优点，正好满足预焙槽的生产。生产一吨铝所需要氧化铝，从理论上计算为1889公斤，实际上由于氧化铝不纯及运输，加工时的损失，生产一吨铝实际需要氧化铝约1925～1940公斤氧化铝。2.1.1氧化铝的获得拜耳法和烧结法。2.1.2氧化铝的物理性质a.具有较小的吸水性，在电解质中溶解性好；b．粒度适宜，加料时飞扬损失少，能严密地覆盖在阳极炭块上，防止阳极在空气中氧化；c.保温性能好，活性大，从而能有效地吸收HF气体。d.安息角：35～38°。2.1.3氧化铝的化学纯度在化学纯度方面，要求氧化铝中杂质含量和水份要低。因为氧化铝中那些电位正于铝元素的氧化物，例如SiO2(二氧化硅)和Fe2O3(氧化铁)，在电解过程中会被铝还原，或者优先于铝离子在阴极析出。析出的硅、铁，进入铝内，降低铝的品位，而那些电位负于铝元素的氧化物，如Na2O、CaO（氧化钙）会分解冰晶石，一是引起氟化盐消耗，二是增加铝中的氢含量，三是产生氟化氢气体，污染环境。P2O3（五氧化二磷）会影响电流效率。2.2氟化盐2.2.1铝电解用氟化盐的种类及其性质铝电解生产中所用氟化盐主要是冰晶石和氟化铝，其次有一些用来调整和改善电解质性质的添加剂，如：氟化镁、氟化锂、氟化钙、氟化钠。2.2.1.1冰晶石冰晶石分天然和人造两种，由于天然冰晶石在自然界中储量很少，不能满足工业之用，故铝工业均用人造冰晶石。冰晶石分子式为Na3AlF6,或写成为3NaF·AlF3。2.2.1.2氟化钙氟化钙分子式为CaF2,其俗名为萤石粉，是一种经过精选品位很高的天然矿物质。在正常的铝电解生产中，往电解质中添加一定数量的氟化钙能降低电解质的熔点，多被用于电解槽启动前装炉，其作用是对炉帮形成有好处，可形成比较坚固的炉帮。2.2.1.3氟化钠氟化钠的分子式为NaF,是一种白色粉末，易溶于水。是铝电解质的一种添加剂，用以调整由于新槽的炭素内衬选择性吸收钠盐及装炉时装入大量低分子比冰晶石所造成的分子比下降。一般由于新槽开动也用碳酸钠（曹达）代替氟化钠，这样更加经济且能加速电解质的沸腾与循环，有助于电解质成份均匀。2.2.1.4氟化锂氟化锂分子式为LiF，是铝电解生产的一种良好的添加剂，它可以降低电解质的初晶温度，增加电解质的导电度，改善电解质的性质，比氟化镁、氟化钙效果更显著，但氟化锂比较昂贵，铝电解厂有时用碳酸锂（Li2CO3）代替氟化锂，降低成本。2.2.2铝用氟化盐的生产方法2.2.2.1冰晶石生产方法目前国内外生产冰晶石主要有以下几种工艺：氢氟酸法：可分干法和湿法干法是将气态氢氟酸在400～700℃和氢氧化铝反应，生成氟铝酸(H3AlF6)，然后用纯碱在高温反应而生成。湿法是将40～60%的氢氟酸与氢氧化铝反应后再加入纯碱而制得。氟硅酸法：可分氟化铵中间产物和氟硅酸钠中间产物法，前者系氟硅酸与氨水氨化后再与铝酸钠反应而生成。后者是将磷肥生产中的含氟废气经回收氟硅酸钠后，再经氨化合成等工序而制得。碳酸化法：在铝酸钠及氟化钠溶液中，通以二氧化碳，亦可制得冰晶石。制铝工业回收法：从炼铝生产的废气中回收的稀氢氟酸与铝酸钠反应可回收冰晶石。碱法：将纯碱、荧石、硅砂经焙烧、粉碎、浸取后与硫酸铝反应而得，工业上很少采用。2.2.2.2氟化铝生产方法氟化铝，Aluminumfluoride分子式：AlF3分子量：83.98性状：白色晶体或粉末。25℃时的相对密度2.882，微溶于水、酸及碱溶液，不溶于大部分有机溶剂，在氢氟酸溶液中有较大的溶解度。无水氟化铝性质非常稳定；与液氨甚至与浓硫酸加热至发烟仍不起反应，与氢氧化钾共熔无变化，也不被氢气还原，加热不分解，但升华，升华温度1291℃。在300～400℃下可被水蒸气部分水解为氟化氢和氧化铝。有毒。氟化铝产品用途:在铝的生产中作电解浴组分，用以降低熔点和提高电解质的电导率。用于生产酒精时作发酵的抑止剂。用作陶瓷外层釉彩和搪瓷釉的助熔剂、非铁金属的熔剂。在金属焊接中用于焊接液.用于制造光学透镜。还用作有机合成的催化剂及人造冰晶石的原料等。一、湿法生产工艺（属淘汰工艺）：硫酸和萤石高温反应后产生的气体，直接吸收成30％～35％的氢氟酸，与氢氧化铝在90℃左右合成为AlF3?3H2O，经过滤后,进入高温脱水干燥，最后得氟化铝AlF3成品。由于脱水时产生的水蒸汽回分解AlF3，因此，湿法氟化铝含量低，杂质多，水份含量高，堆密度低，流动性差。基本上不适应现代电解槽使用。化学指标为：F≥57％Al≥28%Na≤3.5％H2O≤7％。二、干法生产工艺(干法氟化铝)：1、粗酸干法：硫酸和萤石高温反应后产生的气体，经过粗洗后进入流化床，与干燥后的氢氧化铝反应，在高温下生成氟化铝。由于粗洗后的氟化氢含量约96％，杂质较高，氟化铝产品的杂质也就比较高；特别是没有脱硅，使得氟化铝产品的二氧化硅含量达到0.25%。这些杂质会影响电解铝的质量，增加电解时的电耗。F≥61％Al≥30％Na≤0.5％H2O≤0.5％SiO2≤0.28％P2O5≤0.04％Fe2O3≤0.1％SO42-≤0.5％2、精酸干法：硫酸和萤石高温反应后产生的气体，经过粗洗、冷冻、脱气、精馏后进入蒸发器，此时氟化氢的含量一般为99.5%；蒸发出的氟化氢气体（含量接近100％）进入流化床，与湿氢氧化铝反应，在高温下生成氟化铝。由于氟化氢纯度高，这样生产的氟化铝质量很好，杂质很低，特别是二氧化硅含量只有0.02%，五氧化二磷含量只有0.007%，对电解铝的生产非常有利。F≥62％Al≥32％Na≤0.5％H2O≤0.5％SiO2≤0.03％P2O5≤0.01％Fe2O3≤0.03％SO42-≤0.03％2.3预焙阳极2.3.1预焙阳极的几何形状及外观质量阳极结构即槽上部结构，具体包括阳极、阳极母线、阳极传动机构、打壳下料装置及腹板支承梁等。16组双阳极分两排配置于两组阳极母线外侧，利用卡具将阳极铝导杆压紧在阳极母线上，铝导杆和阳极钢爪之间的过渡采用铝-钢爆炸焊块，钢爪与炭块用磷生铁浇注，钢爪爪头安装炭素保护环，保护钢爪不被电解质侵蚀，阳极示意图见图：打壳装置是为加料而打开壳面用的，它由打壳气缸和打击头组成。打击头为圆柱形锤头组成，通过锤头杆与气缸活塞相连。当气缸充气活塞运动时，便带动锤头上、下运动而打击熔池表面结壳，下料系统由槽上料箱、下料器组成。料箱上部与槽上溜槽相通。筒式定容下料器安装在料箱的下侧部，筒式定容下料器每次下料1.8kg。每个电解槽设有4个打壳下料装置，两两交错打壳下料。在电解槽一端另设有专供出铝用的打壳装置。阳极提升机构由螺旋起重机、减速机、传动机构和马达组成，起升降阳极作用。两条阳极大母线悬挂在螺旋起重丝杆上，16组阳极通过卡具卡紧在大母线上。阳极大母线即承担导电，又起着承担阳极重量的作用。2.3.2预焙阳极炭块的原料选择阳极碳块是以石油焦、沥青焦为骨料，煤沥青为黏结剂，经过石油焦煅烧、中碎、筛分、细碎、沥青的熔化、配料、混捏、成型、经过1100度的高温焙烧等工序加工制作而成。用作预焙铝电解槽作阳极材料，起着导电与还原的双重作用。这种炭块经过焙烧，具有稳定的几何形状，所以也称预焙阳极炭块，又称为铝电解用炭阳极。用预焙阳极炭块作阳极的铝电解槽称预焙阳极电解槽，简称预焙槽，这是一种现代化的大型铝电解槽。2.3.2.1石油焦（1）灰分（2）硫分（3）挥发分（4）真密度2.3.2.3沥青焦是煤沥青经高温干馏或延迟焦化后所得到的固体残留物。2.3.2.4煤沥青煤焦油蒸馏后的黑色半固态或固态残留物，可分为低温沥青、中温沥青和高温沥青。作为粘结剂来使用。2.3.2.5煤焦油煤干馏过程中得到的黑褐色黏稠产物，按焦化温度不同所得焦油可分为高温焦油、中温焦油和低温焦油。2.3.3预焙阳极炭块的生产工艺1、原料煅烧2、溶化煤沥青3、破碎、筛分与配料4、混捏5、成型6、焙烧2.3.4预焙阳极炭块的性质和质量（1）、化学纯度（2）、导电性能（3）、机械强度（4）、抗氧化性能2.3.6阳极炭块组的组装（1）、阳极炭块的清理（2）、阳极导杆的准备（3）、残极处理（4）、钢爪、爪架及爆炸焊片的准备（5）、阳极组装2.4直流电源2.4.1铝电解厂对电源条件的要求（1）一级负荷（2）二级负荷（3）三级负荷2.4.2铝电解所需直流电源的获得整流变压器是整流设备的电源变压器。整流设备的特点是原方输入电流，而副方通过整流原件后输出直流。变流是整流、逆流和变频三种工作方式的总称，整流是其中应用最广泛的一种。作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。工业用的整流直流电源大部分都是由交流电网通过整流变压器与整流设备而得到的。教授方法：课堂讲授、讨论、提问课外作业：2-1、铝电解生产过程中所需消耗那些原材料？2-3、铝电解对氧化铝的物理性能有什么要求，为什么？2-7、生产预焙阳极常用那些原料作为骨料，对其有哪种质量要求？本章小结：本章主要介绍了铝电解原材料氧化铝和氟化盐的生产方法，介绍了预焙烧阳极的制作和原料要求，并对直流电的获得做了简单的介绍。