电解铝知识讲座(一章基础知识).

电解铝知识讲座第一章铝电解的基本理论主讲：胡延军制作：胡波山东信发华源铝业有限公司铝的性质及用途1.铝是地球上含量及其丰富的金属元素，其蕴藏量在金属中居第二位。在地壳中含量低于氧和硅而位居第三位。2.铝是银白色金属，具有一系列良好的性能，纯铝熔点为660℃，沸点2500℃,铝的性质和用途铝的外特性：（铝有美丽的银白色的光泽，工业被称誉为“万能金属”）1、铝是轻金属的一种，常温下的密度为2.7克/立方厘米（克每立方厘米），是铜和钢铁的三分之一；2、铝有良好的防腐蚀性；3、铝是一种良好的导电材料，而且铝的纯度越高，导电性能越好，是铜导电率的62~65%，用铝作导电材料既经济又轻便。4、铝具有良好的导热和反光性能，是一种制造反光镜和保温器的良好材料；5、铝具有良好的延展性和可塑性；6、铝的再利用率高；7、铝易与其他金属组成合金。铝的性质主要物理性质原子系数13原子量26.98154化合价3密度（克/厘米3）纯度99.97%20℃固态—2.699（~2.7）660℃液台—2.31000℃液态—2.289比热焦/克.开固态0.8996熔点（℃）纯度99.97%660沸点（℃）2500熔化热（焦/克.开）397.06电子当量（克/安培.小时）0.3356铝的用途：由于铝及其合金具有以上如此多种性能，而且产量在不断增长，所以在现代国民经济和国防工业中得到了广泛的应用，成为仅次于钢、铁的第二大金属。它的用途主要有：可做轻型结构材料、建筑工业材料、电气工业材料、耐腐蚀材料、食品包装材料等。①包装食品医用饮料1铝的特性与用途一、铝电解生产概论②建筑：高层建筑、室内装修和新型桥梁等1铝的特性与用途一、铝电解生产概论1铝的特性与用途②建筑：一、铝电解生产概论③交通运输汽车高速列车飞机轮船1铝的特性与用途一、铝电解生产概论1铝的特性与用途③交通运输一、铝电解生产概论1铝的特性与用途③交通运输一、铝电解生产概论1铝的特性与用途③交通运输一、铝电解生产概论1铝的特性与用途③交通运输一、铝电解生产概论铝电解生产的基本原理现代铝工业生产，普遍采用冰晶石—氧化铝熔盐电解法，它的主要设备是铝电解槽。其原理是以冰晶石—氧化铝熔体为电解质，炭素材料为两极，强大的直流电由阳极导入，经过电解质与铝液层，而后从阴极导出到电源。溶解的氧化铝通入直流电（960℃）液态铝(阴极）+气态物质（阳极）通入直流电的目的?一方面是利用它的热能将冰晶石熔化呈熔融状态，并保持恒后的电解温度；另一方面是要实现电化学反应，也就是使电解质中的铝离子从阴极上得到电子而析出，从而得到铝液，氧离子则在阳极上放电生成一氧化碳、二氧化碳的混合气体，最后通过集气回收。在阴极上得到的液态铝，随着电解过程的不断进行，铝量不断增多，然后周期性的从电解槽中用真空抬包吸出，运往铸造部经过净化配料处理，浇注成商品铝锭。铝液在电解槽的生产及吸出原理示意图铝电解质及其性质什么是现代铝工业用铝电解质？铝电解生产中，连接阳极和阴极之间不可缺少的熔盐叫电解质。现代铝工业用铝电解质的组成液体电解质主要以冰晶石为溶剂以氧化铝为溶质而组成，其中冰晶石占百分之八十五，还有，氟化钠，氟化铁，氟化硅等。电解质的摩尔比（分子比）冰晶石中所含氟化钠摩尔数与氟化铝摩尔数之比为冰晶石的摩尔比,俗称分子比。摩尔比等于3质量比等于1.5的冰晶石形成的电解质称为中性电解质；摩尔比大于3质量比大于1.5的冰晶石形成的电解质称为碱性电解质，摩尔比小于3质量比小于1.5的冰晶石形成的电解质称为酸性电解质，目前铝工业上均采用酸性电解质生产。铝电解质的性质:1.初晶温度;2.密度;3.粘度;4.导电度;5.表面性质;6.挥发性;什么是铝电解质的熔点(初晶温度)?在铝电解生产中所用的纯盐类都有固定的熔点，即熔融液体开始有固体析出的温度，也叫初晶温度。为什么电解温度一般要高于初晶点?电解温度=初晶温度(熔点)+(15—-20)℃，即电解温度一般要高出初晶温度15—20℃。电解温度主要取决于什么?在电解过程中，电解温度除与极距电压降大小有关外，主要取决于电解质的熔点。欲想保持低温电解生产，不设法降低电解质的熔点而单纯降低电解过程温度，必然会导致电解质过冷，引起病槽，影响生产。电解质的密度在电解槽正常生产过程中，上层是电解质，下层是铝液。由于它们之间的密度差异所致。在电解温度（950℃）下铝的比重（2.302克/立方厘米），大于含有5%氧化铝的冰晶石（即电解质）的比重（2.102克/立方厘米）。什么叫电解质的粘度?所谓粘度是液体中的质点之间相对运动的阻力，也称内部摩擦，电解质粘度主要取决于电解质的成份和温度。电解质粘度随温度升高而降低。氧化铝增大电解质的粘度，但在电解质中氧化铝含量在10%以内时影响其粘度变化较小，超过10%时，则电解质的粘度开始显著上升。另外，电解质的分子比也能降低电解质的粘度，添加氟化钙能使其粘度增大，氟化钠和氟化锂使电解质粘度减小。在电解生产中，电解质的导电率（导电度）与哪些因素有关?在电解生产中，电解质的导电率受到多方面的影响。电率增加。但是电解温度高，会造成电流效率降低，能耗和原材料增加，因而提高导电率的效益补偿不了降低电流效率和其它的损失。增加。Al2O3浓度有关。电解质的导电率随Al2O3浓度的增加而降低。使电解质中炭粒含量增多，炭含量增多时不仅使电解质的导电率降低，还能减少电解质对Al2O3晶体的湿润性，从而也会造成氧化铝沉淀。导电率的影响，可分为两类；向电解质中添加氟化锂和氟化钠能改善电解质的导电性，特别是氟化锂效果显著。向电解质中添加氟化钙和氟化镁能降低电解质的导电度，但它们能使炭渣好分离，减少电解质中的炭粒含量，可使电解质的导电性较好，间接地增加导电率。表面性质（1）表面张力；（2）湿润性。(1)表面张力：表面张力：熔体（液体）的表面质点（分子、原子或离子）所受的力与熔体内部质点不同，熔体内部质点受其周围质点的作用力（斥力或引力）是对称，合力为零。生产中要求电解质与阳极气体之间有较大的表面张力，有利于阳极气体的逸出，要求电解质与铝液之间应有较大的界面张力，这样可以降低铝在电解质中的溶解速度，增大铝与电解质的分离速度。（2）湿润性湿润性。是表示液相对固相的湿润能力。液相对固相表面的湿润程度取决于其表面张力的大小。实践证明，电解质熔体随Al2O3浓度样增加，对碳素材料的湿润性变好，在有铝存在的情况下，电解质对碳素材料的湿润性也有所改善，在生产中，要求电解质对阳极的湿润性要适当好些，对阴极的湿润性要差，电解质对阳极的湿润好，可以使阳极气体迅速脱离阳极表面，减小所膜电阻，但也宜太好，太好会造成电解质中的碳渣分离困难，电解质对阴极湿润性差，可以有效阻止电解质向阴极内衬中渗透，减轻炉底破损。液体对固体的湿润角液体NM固相液体NM固相θ90°表示液体对固体的湿润性不良，角越大，湿润性越差。θ90°则表示液体对固体的湿润性好，角越小，湿润性越好。湿润性影响电解质湿润性的因素：1.电流密度和铝的影响。2.氧化铝浓度的影响。3.冰晶石物质数量的影响。4.碳素材质的影响。5.炭阳极中添加锂盐的影响。6.炭阴极上硼化钛的影响。湿润性挥发性物质的挥发性，一般是指液体在低于沸点的状态下，分子以气态排出（蒸发）的程度。在生产当中，要求电解质的挥发性要小，一是可以减小冰晶石的挥发损失，二是可以减小有害物的排放对人体减少危害，并减轻环境污染。添加剂对电解质的影响:能满足电解生产添加剂的条件为；1.在电解过程中不参与电化学反应，以免电解出其他元素而影响铝的纯度。2.能够对电解质的性质有所改善。3.对氟化铝溶解度的影响不能太大，吸水性和挥发性要小。4.来源广泛，价格要低廉等。能够部分满足上述要求的添加剂有，氟化铝，氟化钙，氟化镁，氟化锂，氟化钠。常用添加剂的优点；都具有降低电解质初晶温度的优点。缺点是降低氧化铝在电解质中的溶解度，和溶解速度。铝电解过程中两极副反应都是什么?在冰晶石一氧化铝熔盐铝电解过程中，在电解析出铝的同时，在两极上还伴随发生一些重要的过程和现象，因这些过程和现象对生产有害无益，所以称为两极副反应，在阴极副反应中有金属钠的析出，阴极铝的再溶损失，炭化铝的生成；在阳极副反应中有阳极效应、阳极气体成分的变化1.阴极副反应；1.铝的溶解反应，金属铝壳部分溶解在冰晶石熔体中。2.金属钠的折出，在阴极的主反应是折出铝而不是钠，因为钠的折出电位比铝的低。3.碳化铝的生产，在高温条件下铝可与碳发生反应生成碳化铝。阳极效应；阳极效应是熔盐电解时发生在阳极上的一种特殊现象。铝电解过程中，当期电流密度达到一定值后称为临界电流密度，槽电压聚升，可从几伏，增至几十伏，阳极附近出现电弧光和噼啪声，这一现象称为阳极效应。阳极效应发生的机理学有哪些?1.湿润性理论。2.氟离子放电理论。3.静电引力理论。4.综合理论。该理论认为发生阳极效应是由于电解液对阳极的湿润性改变所致。当电解液内氧化铝浓度高时，电解液对阳极的湿润性很好，阳极过程中产生的气泡很容易从阳极上排挤掉；当氧化铝浓度降低时，电解液对阳极的湿润性变坏，阳极上的气泡不易被排开，于是小气泡合并成大气泡，最终在阳极底掌形成一个气膜层，从而发生阳极效应。在发生阳极效应时，向电解质中添加氧化铝，电解液对阳极的湿润性重新变好，于是阳极气膜遭到破坏，效应熄灭，恢复正常电解过程。阳极效应机理－湿润性理论θθ(a)正常生产(b)发生效应时电解质对阳极底掌的湿润性阳极效应发生的机理学--氟离子放电理论这种理论则认为阳极效应是由于阳极过程发生了改变，即氟离子放电所为。该理论的依据是，阳极效应发生前和发生中，阳极气体中除了二氧化碳和一氧化碳之外，还含有四氟化碳气体。在临近阳极效应时，阳极气体中含有少量四氟化碳（0.4～2%），而效应发生时，四氟化碳气体含量上升到15～35%。理论认为，在氧化铝浓度高时，电解质中铝—氧—氟离子中氧离子的比例较大，此时阳极上理应氧离子放电，但在氧化铝浓度很低时（2%以下），氟离子比例增大，这给氟离子与氧离子共同放电创造了条件，当这两种离子一起在阳极上放电时，阳极过程更加迟滞，阳极从活化状态转向钝化状态，阳极气体开始大量积聚在阳极上，将电解质与阳极隔开，于是效应发生。阳极效应发生的机理学--静电引力理论该理论认为发生阳极效应是由于阳极—气体之间的静电引力所引起。在含氧化合物的电解质是气泡带正电荷，所以气泡能从阳极上排出，当电解质里氧化物缺乏时，气泡就带负电荷，于是被阳极吸引住，引起效应发生。阳极效应发生的机理学--综合理论这种理论是一、二种理论的综合，即认为发生阳极效应一方面是由于电解质对阳极的湿润性变化，另一方面又是由于氟离子放电而改变了阳极气体组成，或者改变了碳阳极的表面性质，从而使电解质对阳极的湿润性骤然恶化，于是发生了阳极效应。综上所述，发生阳极效应的共同特点是，电解质中氧化铝浓度降低，在工业铝电解槽上，当在正常状态并在适当低的温度下电解时，阳极效应趋向于较低的氧化铝浓度（0.5～1.0%）发生；当电解质温度过低时，效应可在2%左右浓度下发生，若电解质过热时，不发生阳极效应。阳极效应发生的机理学--综合理论到现在，产生阳极效应的机理尚未完全探明，但此现象早已熟知。铝电解时发生阳极效应，显然同阳极表面生成某些化合物和积聚气体有关。工业铝电解槽里氧化铝含量低于1%时，氟离子和氧离子共同在碳阳极上放电，形成氧氟化合物(COF)，随后和其他吸附化合物一起积聚在阳极表面上。此时，电解质对碳阳极的湿润性变坏，电解质会在更大程度上为阳极所排斥，于是阳极的有效电流密度逐渐增加，达到临界电流密度时，便发生阳极效应。其外观特征是：在阳极周围产生明亮的小火花，气泡停止在阳极析出，电解质也停止沸腾。熔盐和阳极间的电子传递受到阻碍，导致槽电压增高（30～50伏）和电流下降。阳极效应发生的机理学--综合理论到现在，产生阳极效应的机理尚未完全探明，但此现象早已熟知。铝电解时发生阳极效应，显然同阳极表面生成某些化合物和积聚气体有关。工业铝电解槽里氧化铝含量低于1%时，氟离子和氧离子共同在碳阳极上放电