鋁電解基礎知識培訓2/6/20231鋁的性質及用途

鋁在自然界中分布極廣，地殼中鋁的含量約為8%，僅次于氧和硅，居于第三位。但在各種金屬元素當中，鋁居于首位。鋁的化學性質十分活潑，故自然界中極少發現元素狀態的鋁。含鋁的礦物有250多種，其中主要的是鋁土礦、高嶺石、明礬石。鋁是一種銀白色的金屬。鋁的原子序數為13，原子量為26.98154，外層電子排列形式為3S23P1化合價通常為三價，但有時也呈一價、二價。鋁質很輕，并兼具其它優良性質，在工業上被譽為萬能的金屬。

2/6/20232鋁的性質原子序數13相對摩爾量26.98154原子價（通常）+3密度g/㎝32.3（660℃）2.699（20℃）比熱J/g.℃0.9（20℃）熔點（℃）659沸點（℃）2467熔化熱（J/g）386.6導熱系數（J/㎝?S?℃）2.08（20℃固態）2.18（200℃固態）導電系數（104?Ω-1?㎝-1）36～37(20℃)體積增長率（%）6.5（由固態變為液態）平均線膨脹率（10-6/℃）24（20～100℃）線平均收縮系數（%）1.7～1.8（650～20℃）電化當量（g/A?h）0.3356（A?h/g）2.9802/6/20233鋁的性質及用途

鋁是一種氧化傾向極為強烈的金屬，所以自然界中很少有以游離狀態出現的鋁。鋁與空氣中的氧結合生成一層致密牢固的氧化鋁薄膜，覆蓋在鋁的表面上，這一層氧化鋁薄膜阻止了鋁的進一步氧化，提高了鋁的抗腐蝕能力。鋁是當今電力、冶金、輕工、化工，航空航天、機械、建筑、食品、工藝裝飾等行業不可缺少的重要材料。同時，隨著鋁質材料性能的不斷開發，其運用空間還在不斷拓展。2/6/20234原鋁需求量增長迅猛

圖1-1全世界原鋁年產量增長曲線2/6/20235鋁冶金的發展史

★金屬鋁最早是用化學法制取的。1825年丹麥奧斯特用鉀汞齊還原無水氯化鋁，得到銀色粉末；

1854年德國維勒用氯化鋁氣體通過熔融鉀的表面，得到了金屬鋁珠；1854年法國德維斯用鈉代替鉀還原NaCl-AlCl3絡合鹽，制取金屬鋁。

電解法煉鋁起源于1854年。當時德國本生和法國德維斯分別通過電解氯化鋁-氯化鈉絡鹽，得到金屬鋁。但在那時所用的是蓄電池，故無法擴大試驗。直至1867年發明了發電機，并在1880年加以改進后，才使電解法可以用于生產。

2/6/20236鋁冶金的發展史

1886年美國霍爾和法國的埃魯，通過實驗不約而同地申請了冰晶石—氧化鋁融鹽電解法煉鋁的專利，得到批準。這就是通常所說的霍爾-埃魯法。也是一百多年來工業煉鋁的唯一方法。與化學法相比，電解法成本比較低，且產品質量好，故被各國相繼采用，并沿用至今。2/6/20237霍爾-埃魯法現代工業鋁電解槽鋁導桿槽殼立柱母線銜架小合卡具陽極打殼機構排煙管提升機構槽眉板短路口極上覆蓋料2/6/20238①電解質的化學性質：從傳統電解質轉變成改良電解質和低分子比電解質，已證實顯著提高電流效率，提高了生產能力。②添加氧化鋁的技術：改進的電解槽引進了點式下料和控制技術。③計算機已被廣泛的運用在鋁電解生產控制中。電解槽的各項生產操作，例如氧化鋁添加、更換預焙陽極和出鋁等，都實現了高度的自動化和機械化。④改進了煙氣排放控制，現代鋁工業中的環境保護已經有了很大改進。⑤由于改進了陽極和陰極的質量，現在陽極凈耗量大約在400kg/t-Al左右，部份電解槽的壽命達到3000天以上。⑥對電解槽磁場實現模擬計算和改進，使得鋁電解槽的磁場有了更好的平衡，這是建造大容量電解槽的一個基本前提。

現代鋁工業發展

2/6/20239鋁電解原理

現代鋁工業生產，普遍采用冰晶石---氧化鋁融鹽電解法。主要生產設備是電解槽。鋁電解原理：以冰晶石---氧化鋁熔體為電解質，炭素材料為兩極，強大的直流電由陽極導入，經過電解質與鋁液層從陰極導出，在兩極間發生電化學反應，使電解質中的鋁離子從陰極上得到電子而析出得到鋁液，氧離子則在陽極上放電生成一氧化炭、二氧化碳混合氣體的過程。

2/6/202310現代鋁工業生產流程圖

鋁電解槽氧化鋁氟化鹽預焙陽極組供電機組直流電外部電源干法凈化電解煙氣載氟氧化鋁凈化后煙氣排空陰極鋁液真空抬包鋁液保持爐鋁液鑄錠產品交庫氧化鋁投放2/6/202311現代鋁工業生產的描述

現代鋁工業中原鋁的生產，主要采用冰晶石—氧化鋁融鹽電解法。直流電通入電解槽，在陰極和陽極上發生電化學反應的過程。電解的產物，陰極上是液體鋁，陽極上是CO2（約75%～80%）和CO（約20%～25%）。在工業電解槽中，電解質通常由95%（質量百分數，下同）冰晶石與5%氧化鋁組成，電解溫度為945～960℃。電解液的密度約為2.1g/c㎡，鋁液密度為2.3g/c㎡，兩者因密度差而上下分層。鋁液用真空抬包抽出后，經過凈化和過濾，澆鑄成商品鋁錠，其純度可達到99.5%～99.8%。陽極氣體中還含有少量的有害的氟化物、瀝青煙、固體粉塵和二氧化硫。廢氣凈化后，廢氣排入大氣，回收的氟化物返回電解槽內。

2/6/202312鋁電解槽工作示意圖氧化鋁加料(輸送車間)陽極運輸(車隊)鋁液運輸(車隊)鋁液鑄錠(鑄造車間)直流電流(動力車間)預焙陽極(陽極車間)過程自動控制(計算機車間)電解煙氣凈化(輸送車間)設備檢修(檢修車間)電解槽控制與維護(電解車間)原鋁、成品鋁分析流程檢查(質量管理部)全公司動力(動力車間)2/6/202313鋁電解槽發展簡史

在20世紀20年代，挪威開始使用側棒自焙陽極鋁電解槽槽型，槽容量隨之擴大，電流強度到2.5KA，電流效率約80%，公斤鋁電耗20kwh，這種型式的鋁電解槽很快在全世界范圍推廣使用，槽容量也增大到135KA。由于側插自焙陽極鋁電解槽的電流分布不均勻，陽極操作復雜，不易實現機械化。在20世紀40年代，法國成功研制出上插自焙陽極鋁電解槽，這種槽型在陽極結構上增設了集氣罩，用以收集陽極氣體，提高了煙氣中氟的濃度，使煙氣易于凈化和易于氟的回收，最大電流強度達到了150-160KA。由于世界各國對環境保護要求日趨嚴格；碳素生產技術日益發展，成功制造出大規格預焙陽極碳塊；同時，隨著氧化鋁產量的日益增長，在20世紀60年代開始開發運用大型預焙陽極電解槽，槽中央部位實現自動下料，電流強度達到了230-350KA以上，電流效率94%-95%，公斤鋁電耗達到13kw·h.

2/6/202314槽型及其特點

工業鋁電解槽槽型有：①側插棒自焙陽極鋁電解槽；②上插棒自焙鋁電解槽；③預焙陽極鋁電解槽；（連續、間斷）三者各具特點。

2/6/202315自焙陽極鋁電解槽鋁電解自焙陽極槽。生產中，根據其陽極消耗情況，定期地從上部添加陽極糊；利用電解槽運行產生的熱量，將新加入的陽極糊焙燒成為堅實的固體陽極。陽極因此能連續使用，這正好與電解的連續過程相適應。但自焙槽在運行中，焙燒陽極時散發出有害的瀝青煙氣，它的回收又較為困難，凈化費用較高，造成的污染較嚴重。“二次陽極”質量問題在技術上解決困難，陽極發生病變的概率高，造成指標不理想。

2/6/202316側插式連續自焙鋁電解槽2/6/202317上插式連續自焙鋁電解槽2/6/202318預焙陽極鋁電解槽

預焙陽極鋁電解槽。使用預先焙燒過的陽極，待陽極消耗到一定高度時要進行更換，把舊極取出換上新極。因此陽極不能連續使用，還會產生殘極，而且更換陽極的過程會給鋁電解生產造成較大的波動和影響。預焙陽極在生產過程中瀝青煙氣已進行凈化處理，因而不會給廠房內環境造成影響。

2/6/202319連續預焙鋁電解槽圖1—6連續式預焙陽極電解槽簡圖1—陽極炭塊2—陽極棒3—陽極母線4—槽殼5—陽極炭塊接縫6—陰極炭塊7—陰極棒8—保溫層2/6/202320現代大型預焙鋁電解槽2/6/202321三種槽型的特點：就機械化和自動化程度而論:以預焙陽極鋁電解槽的機械化和自動化程度最高，特別是中部下料的預焙陽極電解槽。上插棒自焙陽極鋁電解槽次之。側插棒自焙陽極鋁電解槽最低。

各種類型的電解槽,產生電極電壓高低的順序為：上插棒自焙陽極鋁電解槽最高，側插棒自焙陽極鋁電解槽居中，預焙陽極鋁電解槽最低。2/6/202322三種槽型的特點：從投資來看:預焙陽極鋁電解槽的上部結構和陽極裝置比較簡單，電解槽本身造價較低，但制造預焙陽極需要額外的陽極成型、陽極焙燒和陽極組裝等一整套設備，從而增加的投資較多，這一般適于大型鋁電解廠。上插棒自焙陽極鋁電解槽上部機構比較復雜，投資較高，側插棒自焙陽極鋁電解槽投資則相對低些。

按電解槽容量而言:預焙陽極鋁電解槽容量最大，上插棒自焙陽極鋁電解槽次之，側插棒自焙陽極鋁電解槽最小。

2/6/202323三種槽型的特點：在現代鋁電解工業中，由于，中部加料的預焙陽極鋁電解槽，在電解過程中無瀝青煙害產生，密閉程度高，煙氣收集和凈化率好，環保效應較高，陽極電壓降低，操作機械化，自動化程度高，適于電子計算機控制管理，因而被廣為采用。而中小型鋁廠采用自焙陽極電解槽組織生產，給社會帶來的資源浪費和環保負擔，正迫使企業面臨強制改造和關閉的壓力。

2/6/202324工業鋁電解槽的布置方式⑴、縱向排列：+-供電車間一般用于100KA以下容量的電解系列2/6/202325工業鋁電解槽的布置方式⑵、橫向排列：+-供電車間一般用于160KA以上容量的大型預焙電解系列2/6/202326現代大型預焙鋁電解槽的構成2/6/202327現代大型預焙鋁電解槽的構成2/6/202328現代大型預焙鋁電解槽的構成電解槽上部機構就位螺旋起重機2/6/202329現代大型預焙鋁電解槽的構成2/6/202330現代大型預焙鋁電解槽的構成2/6/202331現代大型預焙鋁

電解槽的構成2/6/202332鋁電解生產中的主要原料

一、溶質——氧化鋁氧化鋁是鋁電解的主要原料。鋁電解對氧化鋁的要求，首先是它的化學純度，其次是物理性能。在化學純度方面，要求氧化鋁中雜質和水分的含量低。因為氧化鋁中那些電位正于鋁的元素的氧化物，如SiO2、Fe2O3、等。在電解過程中會被鋁還原，還原出來的Si和Fe進入鋁中，從而降低鋁的品位；而那些電位負于鋁的元素的氧化物雜質，如Na2O和CaO會分解冰晶石，還會增加鋁液中的氫含量。其它雜質，如P2O5、TiO2、V2O5、Cr2O3等都會影響電流效率。

2/6/202333鋁電解生產中的主要原料工業氧化鋁的物理性能，對于保證電解過程正常進行是很重要的。通常要求它具有較小的吸水性，能夠較快地溶解在熔融電解質里，在加料時飛揚損失少，并能夠嚴密地覆蓋在碳陽極上以防止陽極在空氣中氧化，同時在凝固的電解質結殼表面上起良好的保溫作用。這些物理性能取決于氧化鋁晶格的晶型、粒度和幾何形狀。氧化鋁分：砂狀、粉狀和中間狀，其安息角分別為30°～35°，45°和36°～44°。

2/6/202334增加氧化鋁平衡示意圖氧化鋁超濃相輸送系統槽上料箱天車料箱天車加料系統新鮮氧化鋁+渣殼載氟氧化鋁氧化鋁+渣殼+結殼塊+臟料人工添加轉變成鋁換極帶走漏到樓下飛揚損失氧化鋁輸送過程損失純度損失槽極上、加工面及槽內鋪底凈化系統損失結殼塊氧化鋁粉槽極上、加工面及槽內鋪底會發生變化減少過磅、水份損失？1930計劃消耗量鋁電解槽（41kg）（2.124%）與理論比188997.88%1035.34%回收95%，損失：5kg。（0.26%）純度98.6%，損失：27kg。換極60kg回收95%，損失：3kg。（0.16%）其它損失總和：<6kg。（0.31%）2/6/2023352/6/202336鋁電解生產中的主要原料二、熔劑——氟化鹽鋁電解生產用的主要溶劑是冰晶石，氧化鋁能夠溶解在冰晶石中，在962℃時約能溶解11%的氧化鋁。另外還有氟化鋁、氟化鈣、氟化鎂、氟化鋰。

㈠冰晶石氧化鋁能夠溶解在熔融冰晶石里，構成的冰晶石—氧化鋁這種電解質基本能夠滿足鋁電解的需要：首先純冰晶石里不含有電位順序比鋁更正電性的金屬雜質，因而可以保證產品鋁的質量。其次，熔融冰晶石能夠較好地溶解氧化鋁，而且所構成的冰晶石—氧化鋁溶液可以在冰晶石的熔點1008℃以下進行電解。第三，在此電解溫度之下，冰晶石—氧化鋁溶液的密度比鋁液的密度小10%，因此電解出來的鋁液能沉積在電解質液下的陰極上，這就能夠減少鋁的氧化損失，而且更為重要的是可以大大簡化電解槽的結構。第四，這種電解質具有相當良好的導電性。此外，冰晶石—氧化鋁溶液基本上不吸水，在電解溫度下它的蒸汽壓不高，這就能保證電解質成份相對穩定。

2/6/202337鋁電解生產中的主要原料㈡氟化鋁氟化鋁可用來降低電解質分子比，改善電解質性質，目前在鋁工業上得到廣泛運用。作為冰晶石—氧化鋁溶液的一種添加劑，它既可以彌補電解質中氟化鋁的損失，又可以降低電解質的分子比，降低電解質溫度。工業氟化鋁是一種白色粉末，其粒度比氧化鋁稍大，不粘手。它在常壓下加熱時不熔化，但在高溫下升華（不經過液態直接氣化），1200℃時蒸汽壓達到760毫米。

2/6/202338鋁電解生產中的主要原料三、導電介質—預焙陽極碳塊組瀝青石油焦瀝青焦殘極破碎煅燒中碎篩分中粒料破碎粗粒料清理中碎篩分粗粒料中粒料貯倉貯倉貯倉貯倉貯倉細粉碎細粉料定量給料（配料）預熱連續混捏（兩段）計量振動成型生碳塊焙燒清理陽極組裝預焙陽極組熔化靜置泵2/6/202339鋁電解生產中的動力循環水池外部高壓電源室內開關站主控樓整流機組、動力室露天變壓器室電解二廠房電解三廠房供電平面配置圖強大的直流電送往240KA電解系列2/6/202340鋁電解生產日常主要操作陽極交換作業；出鋁作業；熄滅陽極效應作業；抬母線作業；各種測量，數據收集作業；對電解槽的巡視、檢查作業；打撈碳渣作業；局部扎邊部作業。2/6/202341鋁電解生產主要技術經濟指標

在鋁電解生產中，衡量生產效果優劣的主要技術經濟指標通常有：產量、電流效率、直流電耗、質量、原材料及能源消耗。它們是鋁生產成本的決定性因素。一、原鋁產量電解槽系列鋁產量是指電解條件下所生產的原鋁量。鋁產量與電流強度、電流效率和運行的槽晝夜總數有關。通過提高電流強度、電流效率和增加運行的槽晝夜總數，都能夠增加鋁產量。因此電解生產中提高鋁產量的途徑通常有：

㈠保持生產的穩定性；㈡提高電流強度；

㈢增加電解槽系列的槽晝夜總數；㈣提高電流效率。2/6/202342鋁電解生產主要技術經濟指標

二、電流效率鋁電解的電流效率是指陰極上實際產出的鋁量相對于理論上按照法拉第定律計算的鋁量的百分數或小數。鋁電解電流效率是鋁電解生產的一項重要技術經濟指標，在其它條件不變的情況下與鋁產量、物耗、能耗是密切關聯的。

㈠電流效率與鋁產量和電耗率的關系鋁電解電流效率直接影響鋁的產量和電耗率，它們之間的關系可用下式表示：2/6/202343㈡電流效率降低的原因：鋁電流效率總是達不到100%，其主要原因是陰極上電解析出的鋁又重新溶解或機械地混入電解質中，并被循環著的電解質帶到陽極空間或電解質表面被陽極氣體中的二氧化碳或空氣中的氧所氧化。此外，也可能有其它離子放電和電流空耗。歸納起來，引起電流效率降低主要有以下四種：1．鋁的重新溶解再氧化造成的損失。2．在一定條件下，鈉離子同鋁離子一起放電，析出鈉，造成電流損失。3．電流空耗高價離子在陰極上放電不完全，生成低價離子，此低價離子以后又在陽極上氧化，重新生成高價離子，如此循環，造成電流空耗。此外，融鹽的電子導電或陰極和陽極短路也會造成電流空耗。4．其它損失槽內生成AL4C3，融鹽中所含水分的電解，雜質化合物的電解，出鋁和鑄錠過程中的鋁損失等。

2/6/202344鋁電解生產主要技術經濟指標鋁的電流效率的計算公式：電流效率η（%）=m’/m×100%=m’/0.3355It×100%式中：m’—鋁的實際產量，g；I—平均電流強度，A；t—電解時間，h；0.3355—鋁的電化學當量，g/A·h。原鋁產量（噸）=0.3355×24×I×槽晝夜×η×1062/6/202345鋁電解生產主要技術經濟指標三、原鋁直流電耗㈠直流電耗的基本概念直流電耗率是用于表示電能利用效率的一項重要指標。它是指鋁電解產出單位金屬鋁量所消耗的電能量。

計算出每公斤鋁的理論耗電量為6.32kw·h。而實際的鋁電解電耗量遠大于理論量。理論量與實際量之比的百分數稱為電能效率。實際的鋁電解電能消耗通常按下式進行計算：

2/6/202346式中：2980—為電化當量；（0.3355的倒數）W——噸鋁的電耗率kw·h/t-Al；V平均電壓——鋁電解槽的平均電壓（伏）；η——電流效率（%）；從式中看出，鋁電解生產中實際的電能消耗與平均槽電壓成正比，與電流效率成反比。

㈡降低直流電耗的途徑1．提高電流效率；2．降低電解槽的平均電壓。電解槽的平均電壓由極化電壓降、陽極壓降、陰極壓降、電解質壓降、槽內母線壓降、槽外母線電壓降以及效應電壓降的分攤值組成。因此，通過采取有效措施，降低以上壓降值，即可以達到降低電解槽平均電壓的目的。

2/6/202347鋁電解生產主要技術經濟指標四、原鋁質量鋁的質量通常按鋁中金屬的雜質的含量來評定，鋁中金屬雜質有二十多種，其中最主要的是Si、Fe、Cu等，此外鋁中還有非金屬雜質，如氫、氧化鋁、炭化鋁等。按GB/T1196—2002可將重熔用鋁錠分為AL99.90、AL99.85、AL99.70A、AL99.70、AL99.60、AL99.50、AL99.00等七個質量等級。原鋁中的主要的雜質是硅和鐵，同時，還存在其它如：鈉、鈣、磷、硼、鈦、鋇、鋅、鎵等雜質金屬。他們絕大部分隨氧化鋁等原料帶入原鋁中。進入原鋁的非金屬雜質主要有：氫、氧化鋁、炭化鋁等。

2/6/202348鋁電解生產主要技術經濟指標五、原材料消耗原材料消耗在原鋁成本中占很大比例，降低其消耗、能有效降低成本。㈠物料消耗問題理論上每生產一噸鋁要消耗1889公斤氧化鋁，但是由于工業氧化鋁中只含有98.5-99%的氧化鋁，炭陽極并非純炭，冰晶石在電解過程中亦有所分解和蒸發，各種物料都有一些機械損失，實際上的物料消耗量大約超過上述理論需要量的5%。要降低消耗，須使運輸管道、儲槽、加料設備等嚴密不漏，包括氧化鋁的袋子要防止破損，倒裝時要倒干凈，加料操作要認真仔細，不要將料撒到槽外，泄漏、飛揚的氧化鋁盡量回收，煙氣廢料要凈化回收并提高回收效率，對氧化鋁粒度應盡量控制不能過細。

2/6/202349鋁電解生產主要技術經濟指標㈡氟化鹽單耗1．冰晶石、氟化鋁、氟化納、氟化鈣、氟化鎂等總稱氟鹽。一般單耗如下：冰晶石5kg/t.Al，氟化鋁27kg/t.Al,氟化鋁1kg/t.Al，氟化鎂3-5kg/t.Al。2．氟化鹽消耗的原因氟鹽理論上不消耗，實際消耗的原因主要有：高溫蒸發，炭渣帶走、槽襯吸收、水解，運輸損失，加料損失等。3．降低消耗的途徑由于氟化鋁易揮發，添加時切忌直接加入液體電解質，而應將其加在氧化鋁打殼下料口處，再覆蓋一層氧化鋁，待下次加工時打入電解槽內，以防造成嚴重的揮發損失。另外添加的原料要盡量減少水份的含量，以防造成電解槽中氟鹽的水解損失。其它添加物也應盡量減小其機械損失。2/6/202350㈢炭陽極消耗1．不論是陽極塊或陽極糊，按理論計算，假設反應