铝电解概述

赖延清轻金属及工业化学研究所2020/3/10《轻金属冶金学》第二部分授课人简介轻金属冶金学－铝电解（1）简况工作单位冶金与环境学院出生日期1974年10月27日学位/专业博士/有色金属冶金职称/职务教授、博导/副院长学术兼职中国有色金属学会轻金属冶金学术委员会委员、副秘书长中国金属学会熔盐化学学术委员会委员，TMS、IES、ACS会员Metall.andMater.Trans.、Hydrometallurgy、Electrochim.Acta、JElectrochem.Soc.、JElectroanal.Chem.、JMater.Chem.、ECSElectrochem.Lett.审稿人（2）学习经历1992.09-1996.07大学本科，有色金属冶金，学士，免试直接攻读博士学位1996.09-2001.09研究生，冶金工程，工学博士，湖南省优秀博士学位论文（3）工作经历2001.09–2003.09中南大学冶金学院，讲师；粉末冶金研究院，博士后2003.09–2006.09中南大学冶金学院，副教授，副所长，湖南省青年骨干教师2006.09–至今中南大学冶金学院，教授，博士生导师（2009）“教育部新世纪优秀人才支持计划”人选（2009），国家优秀青年科学基金获得者（2012），湖南省杰出青年基金获得者（2013）授课人简介轻金属冶金学－铝电解（4）研究主题：基于电化学理论与方法，①面向电化学冶金节能减排，进行铝电解惰性电极和湿法冶金节能阳极的技术攻关与工程实践；②面向新能源发展需求，开展电化学储能和薄膜太阳电池的应用基础研究学术方向电化学冶金与材料电化学研究主题基于惰性电极的铝电解新工艺湿法冶金节能阳极与工艺锂离子动力电池与超级电容器金属硒（硫）化物薄膜太阳电池一级学科冶金工程二级学科有色金属冶金电化学工程新能源材料与器件节能环保产业、新一代信息技术产业、生物产业、高端装备制造产业、新能源产业、新材料产业、新能源汽车产业涉及四个战略性新兴产业（5）学术成绩：①发表学术论文150余篇；②获授权发明专利40余项；③获省部级科技进步一等奖2项、二等奖1项；④参与出版专著2部：《现代铝电解》和《电催化》授课提纲轻金属冶金学－铝电解第一讲铝电解工业概况第二讲铝电解质的物理化学性质第三讲铝电解过程的电化学机理第四讲铝电解的电流效率、电能效率与能量平衡第五讲现代预焙铝电解槽的结构第六讲铝电解的生产操作与工艺管理第七讲铝电解槽的破损与维护第八讲铝冶炼新工艺进展赖延清轻金属及工业电化学研究所第一讲铝电解工业概况轻金属冶金学－铝电解2020/3/10授课提纲第一讲铝电解工业概况1铝冶金发展概况2铝电解槽及电解槽系列3铝用炭素材料及其生产4冰晶石及氟化盐生产5铝电解用氧化铝原料（自学）1铝冶金发展概况第一讲铝电解工业概况时间人物事件1746Pott（德国）Lavoisier（法国）从明矾制得一种氧化物；认为是一种未知金属的氧化物，与氧亲和力极大，金属难以被还原出来18071809Davy（英国）试图电解熔融的氧化铝以取得金属，没有成功；将想象中的金属命名为alumium，后改为aluminium1825Oersted（丹麦）用钾汞齐还原无水氯化铝，得到几毫克金属铝18271845Wöhler（德国）用钾还原无水氯化铝得到少量金属粉末；用氯化铝气体通过熔融金属钾的表面，得到一些10～15mg的铝珠，指出铝的熔点不高，并初步测定了铝的密度和延展性1854Deville（法国）钠代替钾还原NaAlCl4，制得金属铝；由于拿破伦三世预见到铝在轻型铠甲中的潜在应用，获得政府支持，开始建厂进行工业化生产。直到冰晶石-氧化铝熔盐电解法实现工业化之前，仅生产出少量的铝，主要用于制造头盔、餐具和装饰品等；当时铝的价格接近黄金（1）铝的发现及“金属热还原法”炼铝前后约30年，总共生产了约200吨铝，该工艺在19世纪末逐渐被淘汰第一讲铝电解工业概况1铝冶金发展概况时间人物事件1854Bunsen（德国）用电解NaAlCl4熔盐制得了金属铝，由于电的价格太高且不能获得大电流，因而不能进行工业电解炼铝1866Siemens（德国）发明了发电机，并在1880年加以改进，使这种电源可用于工业生产1883Bradley（美国）提出冰晶石-氧化铝熔盐电解方案1886Hall（美国）Héroult（法国）申请了冰晶石-氧化铝熔盐电解法的专利，即霍尔-埃鲁特法炼铝工艺18881889HallHéroult在美国Pittsburgh建厂实现工业化生产；在瑞士Neuhausen建厂生产铝，这就是铝电解工业的开始1888Bayer瑞士冶金公司申请了从铝土矿提取氧化铝的专利；利用莱茵河上的水力发电，获得了廉价的电力（2）“Hall-Héroult熔盐电解法”炼铝霍尔-埃鲁特法、拜尔法以及廉价电力推进了美国和法国铝工业的发展，电解法很快取代了还原法各国竞相发展电解法炼铝：英国（1890），德国（1898），奥地利（1899），挪威（1906），意大利（1907），西班牙（1927），苏联（1931），中国（1938）第一讲铝电解工业概况1铝冶金发展概况（3）世界铝电解工业的发展1980年代以前：①电解槽电流强度由24kA、60kA增加至100kA至150kA；②小型预焙阳极电解槽→侧插棒式自焙阳极电解槽→及上插棒式自焙阳极电解槽→大型预焙阳极电解槽；③吨铝能耗由22000kWh降低至15000kWh；④电流效率由70～80%逐步提高到85～90%1980年代以来：突破了系列技术瓶颈（磁场补偿、点式下料、自动控制、电解质体系与工艺），电解槽容量突破300kA，获得了更高电流效率（90%）和更低电耗（13000kWh/t-Al），阳极效应系数降低一个数量级全球原铝产量变化：1890年180吨→1970年的1000万吨→1980年1625万吨→2000年2399万吨→2013年4600万吨中国除外排名公司产量/万吨1中国宏桥集团有限公司377.32俄铝360.13力拓矿业集团336.14美国铝业312.55中国铝业304.76山东信发铝电集团245.97酋长国全球铝业公司229.58中国电力投资集团公司219.59挪威海德鲁195.810东方希望集团163.7第一讲铝电解工业概况1铝冶金发展概况（4）中国铝电解工业的发展1954年：第一家铝电解厂（抚顺铝厂）投产1983年：贵州铝厂引进日本轻金属株式会社160kA中间下料预焙槽技术2000年：①2001年原铝产量已居世界第一位，2014年铝产能近3500万吨/年，年产量为2810万吨，占全球产量的52.1%；②整体技术装备水平已跻身世界先进行列，电解铝企业70余家，产能近100万吨的电解铝企业超过了10家；③2004年起开始向国外作铝电解全套工程技术出口，目前正在引领世界电解铝产业的发展方向；④350kA及以上槽型的原铝产量已达到全国总量的23%，自主研发的400kA大型预焙铝电解系列生产线已形成规模，世界上第一条500kA级生产线和600kA试验槽系列投产运行中国电解铝技术发展历程中国原铝产量和消费量变化第一讲铝电解工业概况1铝冶金发展概况（5）铝电解过程描述现代Hall-Heroult铝电解槽示意图Al2O3+C→Al+CO2↑第一讲铝电解工业概况1铝冶金发展概况反应式：Al2O3+C→Al+CO2↑阴极和阳极：碳素材料电极极距：～4.0cm平均槽电压：3.8～4.2V电解温度：920～960℃吨铝直流电耗：～13000kWh电能效率：～50%吨铝碳耗：～400kg吨铝等效CO2：～10.7t（电解过程4.9t，发电过程5.8t）现代Hall-Heroult铝电解槽示意图金属Al熔体Na3AlF6-Al2O3熔体C阴极C阳极Al2O3C阳极第一讲铝电解工业概况1铝冶金发展概况反应式:Al2O3→Al+O2↑无碳素阳极消耗电极:惰性阳极可润湿性阴极电极极距:2.0cm平均槽电压:～3.6V电解温度:～850℃吨铝能耗:12000kWh电耗降低:10%阳极析出:O2，无CFn和CO2排放惰性电极铝电解槽示意图惰性阴极惰性阳极低温电解质第一讲铝电解工业概况2铝电解槽及电解槽系列（1）铝电解槽分类铝电解槽是铝冶炼的核心设备，120多年以来，电解槽结构不断优化改进，其中阳极结构变化最为显著，按阳极结构发展顺序，铝电解槽可分为：小型预焙电解槽侧插自焙阳极电解槽上插自焙阳极电解槽大型不连续预焙阳极和连续预焙阳极电解槽中间下料大型预焙阳极电解槽第一讲铝电解工业概况2铝电解槽及电解槽系列（2）预焙阳极电解槽最早预焙阳极电解槽电流小（4～8kA）、能耗高（42kWh/tAl），1920年代被自焙阳极电解槽取代，1950年代重新兴起边部加料小型预焙铝电解槽中间下料大型预焙铝电解槽第一讲铝电解工业概况2铝电解槽及电解槽系列（2）预焙阳极电解槽现代中间下料大型预焙铝电解槽第一讲铝电解工业概况2铝电解槽及电解槽系列（2）预焙阳极电解槽前西德曾开发应用连续预焙阳极铝电解槽。优点：①不换极，生产连续；②无阳极残极，炭耗小；③阳极电流分布均匀，阳极消耗均匀。缺点：①阳极无Al2O3保温，热损失大；②接缝电阻大；③结构复杂，操作自动化程度低；④电解槽大型化困难（120kA）；⑤技术经济指标较差连续预焙阳极铝电解槽边部加料小型预焙铝电解槽第一讲铝电解工业概况2铝电解槽及电解槽系列（3）自焙阳极电解槽上插棒式自焙铝电解槽侧插棒式自焙铝电解槽1920年代，为增大阳极尺寸，简化阳极操作，铝业界借鉴铁合金电弧炉自焙电极的启发，发展应用了侧插棒式自焙阳极电解槽；1940年代进一步发展出上插棒式自焙阳极电解槽第一讲铝电解工业概况2铝电解槽及电解槽系列（4）预焙阳极电解槽VS自焙阳极电解槽自焙槽阳极可连续使用不需专门工厂进行阳极成型，焙烧，组装等烟害大槽电压比预焙槽约高0.1～0.2V，电耗比预焙槽高约1000kWh上插棒槽的上部金属结构比较复杂，机械化程度低，投资大预焙槽电耗低，槽电压低电解槽造价少可大型化，操作的机械化程度高烟害小非连续式预焙阳极电解槽需定期更换阳极，操作难度大需成套的阳极制备工厂，投资多铝工业的主流是大型预焙电解槽，但正开发采用惰性阳极和可润湿性阴极的新型铝电解槽第一讲铝电解工业概况2铝电解槽及电解槽系列世界电解铝各类槽型产量（来源：IAI&CRU）指标侧插槽上插槽预焙槽连续预焙槽现代大型预焙槽电流效率/％8888～8988～908795直流电耗/kWh·kg-115141315.512.2各种电解槽的主要技术经济指标对比第一讲铝电解工业概况2铝电解槽及电解槽系列（5）铝电解槽系列许多同类型电解槽串联构成电解槽系列，其槽数取决于产能、电流强度、供电整流功率等电解厂房分为双层和单层结构，整流所一般在电解厂房一端，须有备用电源电解槽可横向或纵向排列，可设置为双行或单行第一讲铝电解工业概况2铝电解槽及电解槽系列（5）铝电解槽系列许多同类型电解槽串联构成电解槽系列，其槽数取决于产能、电流强度、供电整流功率等电解厂房分为双层和单层结构，整流所一般在电解厂房一端，须有备用电源电解槽可横向或纵向排列，可设置为双行或单行第一讲铝电解工业概况3铝用炭素材料及其生产（1）铝用炭素材料及其作用：预焙阳极炭块（阳极糊）、侧部炭块、底部炭块和各类捣固糊第一讲铝电解工业概况3铝用炭素材料及其生产（2）预焙阳极炭块耐高温耐熔盐侵蚀电导率和纯度机械强度和热稳定性透气率抗CO2及抗空气氧化性能性能要求第一讲铝电解工业概况3铝用炭素材料及其生产生产原料煤沥青石油焦残极第一讲铝电解工业概况3铝用炭素材料及其生产粘结剂：煤沥青来源：是炼焦工业的副产品；烟煤在炼焦炉中受高温作用发生热分解，得到三种产物：①焦炭（720～780kg/t），②煤气（150～190m3/t），③煤焦油（25～42kg/t）；煤焦油再经过蒸馏得到的残渣便是煤沥青第一讲铝电解工业概况3铝用炭素材料及其