铝电解培训讲义

1部门：安全生产部铝电解生产基础知识授课：田冬冬铝业新员工培训1铝的性质、用途及南山铝产业链2铝电解工艺原理34目录思考？铝电解槽的结构铝电解原料及要求生活中有那些铝产品5电解车间主要工作一、铝的性质及用途•汽车轮毂、水箱，蒸发箱，缸体……•啤酒、饮料等易拉罐制品•铝线•银粉•……一、铝的性质及用途•铝的性质（1）铝是一种银白色的金属，具有一系列良好的性能。纯铝熔点为660℃，沸点为2500℃.（2）铝是地球上含量最丰富的金属元素，在地壳中含量仅低于氧和硅位居第三位（7.5%）。（3）铝是一种很轻的金属。常温下密度为2.7g/cm3,铝的质量为同体积水的重量的2.7倍。（4）铝能和少量金属铜、镁、锰、铬、硅形成化合物。一、铝的性质及用途铝的用途（1）铝具有良好的导电性，只比银、铜差一点。铝被用来制造电线、电动机、电容器、母线等。（2）铝具有良好的导热性，导热率为银的一半，比铁的导热性大三倍。可用来生产散热片、加热电器、热交换器、以及厨房用品等。（3）铝具有较强的耐腐蚀能力且无毒。可用来生产一些食品的包装材料。（4）铝的可塑性能（延展性）好。可生产铝箔、铝板等。（5）铝是非铁磁性物质，可生产一些精密仪表。（6）铝的表面具有高度的反射性，可用来生产反光镜。（7）铝最大的用途是应用在运输和建筑业。铝的供应来源除了原铝外，回收铝也占有很高的比例。一、南山铝产业链二、铝电解工艺原理虽然自然界中铝的资源储量很高，但是铝的工业生产却很晚，直到19世纪20年代才真正把铝制备出来，比金属铜和铁晚了两千多年；化学性质活泼，与氧、卤素、硫及炭化合的亲和力很大，生成的化合物都非常稳定，这就给铝的冶炼带来了很大困难；炼铝方法发展可分为以下两个时期•1、化学法制取金属铝阶段（1825-1854）•2、电解法生产阶段（1854-1886-至今）二、铝电解工艺原理1825年：德国的韦勒用钾汞齐和钾还原无水AlCl31845年：法国戴维尔用Na还原NaCl-AlCl3混合盐，开始小规模生产；1855年：德国罗西用Na还原Na3AlF6；1865年：俄国别凯托夫用Mg还原Na3AlF6，并建厂炼铝（1）金属热还原（2）化学法（电解法）炼铝1854年德国人本森（R.Bunsen）用电解NaAlCl4熔盐制得了金属铝；当时，由于电价格太高而且不能获得大电流，因而未能进行工业电解试验；化学法炼铝阶段二、铝电解工艺原理1886年美国霍尔（C.M.Hall）和法国埃鲁特（L.T.Héroult）几乎同时分别获得用冰晶石-氧化铝熔盐电解法制取金属铝的专利电解法炼铝阶段C.M.HallL.T.Héroult二、铝电解工艺原理1888年11月Hall在美国Pittsburgh建厂实现工业化生产，1889年Héroult在瑞士Neuhausen建厂生产铝，这就是电解法工业生产铝的开始。1888年8月奥地利科学家拜尔（K.J.Bayer）申请了从铝土矿提取氧化铝的专利。与此同时，瑞士冶金公司获得了廉价的电力。由此，霍尔-埃鲁特法、拜尔法以及廉价电力推进了美国和欧洲铝电解工业的快速发展。电解法炼铝发展二、铝电解工艺原理以冰晶石---氧化铝熔体为电解质，炭素材料为两极，直流电由阳极导入，经过电解质与铝液层从阴极导出，在两极间发生电化学反应，电解质中的铝离子从阴极上得到电子而析出得到铝液，含氧离子则在阳极上放电生成一氧化炭、二氧化炭混合气体。铝电解主反应方程：2A1203(溶解）+3C(固)======4Al（液）+3CO2↑离子反应主副反应二次反应二、铝电解工艺原理直流电阴极的过程机理：二、铝电解工艺原理阴极过程总表达式：Al3+(配离子)→3e+AlNa3AlF6-Al2O3熔体主要由Na+、AlF63-、AlF4-、F-、AlxOyF(2+2y-3x)-等构成，其中Na+传输的电流占99%以上，但电解条件下，Na+的析出电位比Al3+的负0.25V，一般认为含铝配离子阴极放电，Al是一次阴极产物；在电解条件下钠可能优先析出的条件是：1.电解槽温度升高；2.电解质的分子比增大；3.阴极电流密度增大；4.电解槽局部过冷，使该处阴极附近电解质中钠离子向外扩散受阻，此时该阴极区内.电解质中NaF含量高，Na有可能优先析出。电解的过程机理：二、铝电解工艺原理换铝理论熔体反应：Na3AlF63Na++AlF63-Al2O3+AlF63-3AlOF2-阴极放电：Na++eNa置换反应：3Na+2AlF3Al+Na3AlF63Na++2AlF3+6eAl+Na3AlF6阳极反应：3AlOF2-+4AlF63-1.5O2+4AlF3+6e总反应：Al2O3+1.5C2Al+1.5CO2铝离子直接放电理论熔体反应：Na3AlF63Na++AlF63-AlF63-AlF4-+2F-Al2O3+4AlF4-+4F-3Al2OF62-阴极放电：AlF4-+3eAl+4F-（低CR)AlF63-+3eAl+6F-(高CR)阳极放电：2Al2OF62-+6F-+C4AlF4-+CO2+4e总反应：Al2O3+1.5C2Al+1.5CO2二、铝电解工艺原理氧化铝冰晶石炭阳极块添加剂直流电载氟氧化铝阳极气体铝锭等铸造产品原铝铸造气体净化废气电解槽铝电解工艺流程简图二、铝电解工艺原理各生产单位之间的关系三、铝电解原料及要求主要原料氧化铝氟化盐阳极炭块冰晶石氟化铝氟化钠氟化钙氟化镁添加剂三、铝电解原料及要求氧化铝性质：Al2O3是铝电解过程的主要原料，是一种白色粉末状物料，不容于水，能溶于冰晶石熔体，1000℃溶解度约为10%，熔点为2050℃，真密度3.5-3.6g/cm3，体积密度为1g/cm3。三、铝电解原料及要求氧化铝要求：电解用Al2O3要求有一定粒度要求，且流动性好，具有较小的吸水性，能够迅速溶解在冰晶石里。理论上每生产１吨铝消耗1889kg，实际生产中因为飞扬和机械损失，消耗约为1910kg。三、铝电解原料及要求氧化铝种类：•1、砂状•2、粉状•3、中间状砂状氧化铝呈球状，颗粒较粗，安息角小，其中α-Al2O3含量小于15%，γ-Al2O3含量较高，具有较大的活性，适于在干法净化中用来吸附HF气体，适用于半连续下料电解槽，故砂状氧化铝最适合电解生产。三、铝电解原料及要求氧化铝中杂质元素：氧化铝中那些电位正于铝的元素的氧化物，如（Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等），在电解过程中会优先于铝离子在阴极析出，析出的硅、铁进入铝内，降低原铝品位。而那些电位负于铝的氧化物，如如碱及碱土金属Na2O、CaO会分解冰晶石，使电解质组成改变，并增加氟盐消耗。水分也是有害成分，分解电解质中氟化物，产生HF。一是引起氟盐消耗，二是增加铝中氢含量，三是产生氟化氢气体，污染环境。P2O5则会影响电流效率。比铝负电性元素，电解时与氟化铝反应，使其损失，分子比改变。三、铝电解原料及要求铝电解生产用熔剂主要成分是冰晶石，占总电解质的85%以上。还包含少量氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化钠、氟化锂等添加剂氟化盐：三、铝电解原料及要求天然冰晶石是一种无色或白色晶体，密度为2.95g/cm3。硬度为2.5。熔点为1010℃。人造冰晶石实际上是正冰晶石（3NaF·AlF3）和亚冰晶石（5NaF·3AlF3）的混合物，其分子比为2.1左右，属酸性，呈白色粉末，略粘手，微溶于水。冰晶石：三、铝电解原料及要求分子比、质量比初晶温度密度电导率表面性质（表面张力、湿润性）粘度挥发性电解质性质：三、铝电解原料及要求分子比：冰晶石中所含氟化钠摩尔数与氟化铝摩尔数之比。其表达式为：冰晶石中所含氟化钠摩尔数冰晶石的摩尔比=冰晶石中所含氟化铝摩尔数质量比：冰晶石中所含氟化钠的质量与氟化铝的质量之比，其表达式为：冰晶石中所含氟化钠的质量冰晶石的质量比=冰晶石中所含氟化铝的质量电解质性质：在比值上：摩尔比=质量比×2三、铝电解原料及要求中性电解质分子比等于3的冰晶石形成的电解质碱性电解质分子比大于3的冰晶石形成的电解质酸性电解质分子比小于3的冰晶石形成的电解质目前铝工业上均采用酸性电解质生产,不同的工艺条件及电解质体系采用的分子比也各有不同。电解质性质：三、铝电解原料及要求初晶温度：初晶温度是指液体开始形成固态晶体的温度。固态晶体开始熔化的温度称为该晶体的烙点。初晶温度与熔点的物理意义不同，但在数值上相等。纯的正冰晶石的初晶温度为1010℃，但在其中添加固体氧化铝形成冰晶石—氧化铝均匀熔体电解质后，其初晶温度随氧化铝含量的增加而降低，生产中需要保持降低的初晶温度，即可保持相对低得电解温度，对电解设备、热变形、有好处，延长设备的使用寿命，工人的工作环境也得到改善，电解质的挥发性也减小，同时还能提高电解过程中的电流效率，这样既能降低电能消耗，也能增加产量。电解质性质：三、铝电解原料及要求密度：密度是指单位体积的某物质的质量，其单位为:g/cm3。冰晶石在电解温度下的密度为2.112g/cm3，随着温度升高，密度呈线性降低。实际生产中需要电解质的密度较低为好，铝与电解质是两种相容性很小的液体，两者之间是靠密度差来实现分离的，铝水的密度比电解质大些，故沉于炉底，因此只有减小电解质的密度来增大其密度差，从而使两者更好地分离电导率：电导率是物体导电能力大小的标志，通常用比电阻(电阻率)的倒数来表示。随着氧化铝的浓度增加，电解质的导电度减小。生产中需要电解质有大的导电度，电解质的导电性越好，其电压降就越小，越有利于降低生产能耗。电解质性质：三、铝电解原料及要求表面性质（表面张力、湿润性）a表面张力：抵消液体表面积的收缩,必须克服液体内部质点的引力而作功，把这个用来抵消表面单位长度上的收缩表面的力称为表面张力。(阳极气体在电解质中形成气泡)b湿润性：液相对固相的湿润能力。(电解质对阳极的湿润性)粘度粘度是表示液体中质点之间相对运动的阻力，也称内部摩擦力，其阻力越大，该熔体的粘度越大，一般来说，熔体的粘度随着温度的升高而成线性减小。但是粘度过小，会加快电解质的循环，加快铝在电解质中得溶解损失，降低电流效率，而且会加快氧化铝在电解质中得沉降速度，造成炉底沉淀。电解质性质：三、铝电解原料及要求挥发性物质的挥发性一般是指液体在低于沸点的状态下,分子以气态逸出(蒸发)的程度，电解质中各种物质挥发性不一。电解质性质：调整电解工艺技术条件以及添加添加剂能改善电解质的性质三、铝电解原料及要求冰晶石作为电解质的原因1.纯冰晶石里不含有电位顺序比铝更正电性的金属杂质，因而可以保证产品铝的质量；2.熔融冰晶石能够较好地溶解氧化铝，而且所构成的冰晶石—氧化铝溶液可以在冰晶石的熔点以下进行电解；3.冰晶石性质稳定，且电解温度下密度比铝液小，两者互不相融分层明显，故铝液能沉积在下层，简化电解槽结构；4.冰晶石导电性好。三、铝电解原料及要求添加剂：能满足电解生产添加剂的条件为:a、电解过程中不参与电化学反应，不往电解槽中引入杂质元素以免影响原铝质量；b、对氧化铝的溶解度不至太大影响；吸水性和挥发性要小；c、能够对电解质的性质有所改善；d、来源广泛，价格要低廉等。目前还没有一种完全合乎理想的添加剂。在工业上常使用的是氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化锂和氟化钠。三、铝电解原料及要求添加剂氟化铝：氟化铝是目前在铝工业中运用最为广泛的一种添加剂。它是一种白色粉末，其粒度比氧化铝稍大，不粘手，在常压下加热不熔化，但在高温下升华。在铝电解生产中，主要用于降低电解质的分子比，改善电解质性质，降低电解质初晶温度（10%-20℃），减小电解质的密度、导电度、粘度，减小电解质与铝液的界面张力，减小电解质与阳极气体的表面张力，减小氧化铝在电解质中得溶解性，增大电解质与炭素材料的湿润角，增大电解质的挥发性。三、铝电解原料及要求添加剂氟化钙、氟化镁：氟化钙是一种天然矿石，俗称萤石，可降低电解质的初晶温度（1%-3℃），减小电解质的导电度，降低电解质的挥发性，减小氧化铝的溶解度，促进炉帮形成；增大电解质的粘度和密度，增大电解质与铝液的界面张力，也增大电解质与炭素材料的湿润角。氟