年产18万吨电解铝的铝电解车间工艺设计-冶金工程专业-大学论文.doc

《年产18万吨电解铝的铝电解车间工艺设计-冶金工程专业-大学论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《年产18万吨电解铝的铝电解车间工艺设计-冶金工程专业-大学论文.doc（65页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、年产18万吨电解铝的铝电解车间工艺设计专 业：冶金工程学 生：指导老师：设计总说明电解槽是铝生产的主要设备，本设计在分析了大量文献资料和实地调研的基础上，对铝电解槽结构进行了设计计算，对生产电解铝工艺过程的能量平衡、电压平衡、物料平衡进行了计算，以熟悉铝电解过程，并在计算的基础上，对主要设备进行选型和车间平面设计及总图运输方案确定。本文也介绍了电解过程物理化学反应，铝电解质体系的性质，电解槽的启动和常规作业流程以及电解车间设计的基本原理。设计中选用现行铝电解工艺中较为成熟的基本工艺参数，电流强度选用300KA，槽型选用中间下料四点下料预焙槽，并备有操控机。母线为四点进入，电流效率为94%，总生

2、产能力为18万吨。编制设计说明书，绘制电解槽结构图，车间平面图和工艺流程图，并完成专题论文铝电解过程烟气污染及控制的写作。关键词：铝；电解槽；能量平衡；设计 The Plant Design of 180,000 Tons of Aluminum Electrolytic Aluminum Speciality: Metallurgical EngineeringStudent: Xu Zhi fei Instructor: Ma Hong zhouDesign DescriptionLianlv aluminium cell is the main equipment, the design

3、 in the analysis of a large number of literature and field research on the basis of aluminium cell structure of the design, electrolytic aluminum production process of the energy balance is calculated to familiar with the aluminum Electrolysis process, and in the calculation on the basis of major eq

4、uipment selection and workshop graphic design and the total transport scheme for the plans. This paper also introduced the electrolytic process of physical and chemical reactions, electrolyte aluminum nature of the system, the start-up cell and conventional electrolysis processes and the basic princ

5、iples of design workshops. Design selection of the aluminum electrolytic process of basic parameters, current intensity selection of 300KA, groove type selection of intermediate material four point feeding prebaked pot, and a control machine. The bus is four point of entry, current efficiency is 94%

6、, the total production capacity of 180,000tons.System design specification, drawing the electrolytic trough structure, workshop floor plan and process flow diagram, and complete the study of aluminum electrolysis flue gas pollution and its control in writing.Keywords: Aluminum; Energy Balance; Elect

7、ric Cell; Design目 录目 录31 绪论11.1 铝的物理化学性质和用途11.1.1 铝的简介及物化性质11.1.2 铝的用途21.2国内外铝工业发展的现状及趋势31.2.1 国内外铝工业发展现状31.2.2 电解铝工业发展趋势41.3 电解铝生产41.3.1 铝电解工艺流程41.3.2 铝电解的原料：氧化铝51.3.3 铝电解的熔剂：氟盐71.3.3.1 冰晶石71.3.3.2 氟化铝81.3.3.3 氟化钙81.3.3.4 氟化镁81.4 电解铝机理91.4.1 铝电解的总反应91.4.2 阴极反应91.4.3 阳极反应101.5 铝电解的主要设备铝电解槽简介101.5.1

8、电解槽槽型结构特点剖析101.5.2 铝电解槽槽型的发展趋势111.6 我国电解铝技术存在的问题111.6.1 电解槽寿命111.6.2 阳极质量121.6.3 电流密度131.6.4 电流效率131.6.5 过热度141.7 本设计的目的和内容152 电解槽的设计及相关计算162.1 基础计算162.2 铝电解槽结构参数的确定172.3 铝电解槽的电压分配202.3.1 极化电动势212.3.2 电解质电压降222.3.3 阳极电压降232.3.4 阴极电压降232.3.5 铝母线电压降、阳极效应均摊电压降242.4 物料平衡252.4.1 物料平衡计算252.4.2 物料平衡列表262.5

9、 能量平衡262.5.1 计算方法与基础条件262.5.2 能量平衡计算272.5.3 能量平衡列表333 铝电解槽炭阳极与阳极炭块343.1 阳极炭块及炭块组343.2 预焙阳极操作353.3 炭阳极生产工艺及设备流程353.3.1 原料库和沥青库373.3.2 煅烧383.3.3 破碎磨粉工段及配料混捏383.3.4 成型、焙烧393.3.5 主要设备394 预焙槽炼铝的生产技术414.1 铝电解槽的预热414.2 预焙槽的启动424.3 预焙槽的启动后期444.4 病槽及病槽治理455 低温铝电解495.1 低温铝电解的研究495.2 低温铝电解的展望506 参考文献51专 题527 致

10、 谢61 第 61 页1 绪论1.1 铝的物理化学性质和用途1.1.1 铝的简介及物化性质铝是地球上含量极丰富的金属元素，其蕴藏量在金属中居第2位。至19世纪末，铝才崭露头角，成为在工程应用中具有竞争力的金属，且风行一时。航空、建筑、汽车三大重要工业的发展，要求材料特性具有铝及其合金的独特性质，这就大大有利于这种新金属。1854年，法国化学家德维尔把铝矾土、木炭、食盐混合，通入氯气后加热得到NaCl，AlCl3复盐，再将此复盐与过量的钠熔融，得到了金属铝。这时的铝十分珍贵，据说在一次宴会上，法国皇帝拿破仑独自用铝制的刀叉，而其他人都用银制的餐具。泰国当时的国王曾用过铝制的表链；1955年巴黎国

11、用博览会上，展出了一小块铝，标签上写到：“来自粘土的白银”，并将它放在最珍贵的珠宝旁边。直到1889年，伦敦化学会还把铝和金制的花瓶与杯子作为贵重的礼物送给门捷列夫。1886年，美国的豪尔和法国的海朗特，分别独立地电解熔融的铝矾土和冰晶石的合物制得了金属铝，奠定了今天大规模生产铝的基础。近一个世纪的历史进程中，铝的产量急剧上升，到了20世纪60年代，铝在全世界有色金属产量上超过了铜而位居首位，这时的铝已不单属于皇家贵族所有，它的用途涉及到许多领域，大至国防、航天、电力、通讯等，小到锅碗瓢盆等生活用品。它的化合物用途非常广泛, 不同的含铝化合物在医药、有机合成、石油精炼等方面发挥着重要的作用。铝

12、及其合金的优良特点是其外观好、质轻，可塑加工性、物理和力学性能好，以及抗腐蚀性好，从而使铝及铝合金在很多应用领域中被认为最为经济实用。 纯净的铝是具有银白色光泽的金属，密度为2.70g/cm，熔点为660.4，沸点为2467。铝具有良好的低温强度特性，强度随温度降低而增大，即使温度降低到-198铝仍不变脆。铝没有磁性和毒性，具有良好的延展性、导热性以及良好的反射光、热的能力；铝的导电性仅次于银和铜（导电率为铜的64%，而密度为铜的30%）。铝的表面具有高度的反射性。辐射能、可见光、辐射热和电波都能有效地被铝反射，而阳极氧化和深色阳极氧化的表面可以是反射性的，也可以是吸收性的，抛光后的铝在很宽波

13、长范围内具有优良的反射性，因而具有各种装饰用途及具有反射功能性的用途。铝元素位于元素周期表第三周期第三主族，最外层有3个电子，容易发生还原反应失去这3个最外层电子形成+3价铝离子。铝具有两性的特点，遇酸显碱性，遇碱显酸性，和碱反应生成偏铝酸盐，和酸反应生成铝盐。应指出的是，在常温下浓硫酸和浓硝酸会使铝钝化，但加热时会发生复杂的氧化还原反应；只有盐酸和稀硫酸等才会跟铝发生置换反应，生成盐并放出氢气。铝在空气中表面会生成一层致密的氧化铝保护膜可以阻止铝的进一步氧化和腐蚀；而铝粉可燃铙，和氧气反应发出强烈白光，生成氧化铝；铝能与非金属发生反应（如硫等）生成铝的化合物（如Al2S3等）；铝也能与不活动

14、金属氧化物发生反应，反应的混合物就是我们熟知的铝热剂；此外铝还能与盐溶液发生置换反应，能与热水发生缓慢的反应生成Al(OH)3并释放氢气等。1.1.2 铝的用途铝广泛的应用于各种建筑中，如桥梁、塔楼和储罐等。虽然结构钢型材与板材的基建投资费用较低，但当人们考虑到工程的结构特点、独特的建筑设计、质轻或抗腐蚀性时，通常采用了铝。 铝可用于桥梁与公路的辅助结构上，如桥梁栏杆、公路护栏、照明标准件、交通指挥塔、交通标志和连接围栏等。铝也普遍用于桥梁结构上，特别是长墩距桥梁或活动桥梁的平衡装置和升桥的施工中。 脚手架、爬梯、变电所构筑物及其它公用工程构筑物，常使用的铝材形式主要是结构型材和特殊挤压型材。

15、吊车、输送机和重载装卸系统包含了大量的铝材。储水大罐常用铝合金建造，以增强抗腐蚀性并形成引人注意的外观。包装业一直是用铝的市场之一，且发展最快。包装业产品包括家用包装材料、软包装和食品容器、瓶盖、软管、饮料罐与食品罐。铝箔颇适用于包装，箔制盒，包括用于盛食品与药剂，并可作家用。变形铝制品和铸造铝制品在汽车结构中应用颇广。每台汽车的典型铝用量约70kg，此数据正在急剧增加，因为普遍的节省燃料的要求迫使如此，而且人们还不断强调回收铝的重要性。卡车由于重量的限制及人们想增加有效载重量的愿望，制造商已增加铝在驾驶室、拖车和卡车设计中的应用。由于使用挤压的车身纵梁、车架下梁和横梁，卡车自重已减小。挤压的

16、模板及锻造的驾驶盘已常见。铁路车辆：铝用于制造铁路底卸车、冷冻车和槽车，铝亦广泛用于铁路客车，特别是那些公共交通系统的车辆。海上应用：铝普及于各种各样的海上应用中，包括船舶的主要受力构件如船体与舱面室，以及其它应用如烟囱外壳、舱盖、窗框、空气出口、舷梯、信道、船尾、甲板、通风设备、船用家具、以铝代用的五金器材、燃料罐及面表光亮的平整件。航空航天：铝实际上用于飞机、导弹和宇宙飞船工业的所有部分。制造机身、引擎、附件、液体燃料和氧化剂的容器设备。铝因其高强度/密度之比率、抗腐蚀性和重量功效而得到广泛应用，特别是用在压缩的设计中。家用电器：由于铝制品质量轻、外观美观、具有对各种形式加工的适应性以及便

17、宜的制造加工费用，因此铝广泛应用于家用器具中，质轻是它重要的特性，可适应于真空吸尘器、电熨斗、便式洗碟机及食品加工机与搅拌器的要求。家具：质轻、低维护费用、抗蚀、经久耐用和美丽的外观是铝制家具的主要优点。机械与设备：铝材也被广泛地应用在加工设备、纺织设备、煤矿机械、移动式灌溉管与工具。铝及其合金可以用已知的所有方法浇铸成铸件或加工成材。铝及其合金的加工产品可以划分为两类：一类是通用产品，包括薄板、厚板、箔、棒材、线材、管材以及结构型材，其中板材可细分为圆形棒和非圆形棒，其中管材可细分为标准圆管和非标准圆形管。另一类是非通用的产品，这是为了某个特定用途而设定的产品，包括挤压型材、锻件、冲挤件、铸

18、件、冲压件、粉末冶金零件、机加工件和铝基复合材料。挤压件其实是挤压固体金属通过开孔模而生产出来的。具有轴对称的设计件特别适合于用挤压形式生产。使用现行的工艺，也能挤压复杂的、有心轴的和不对称的外形，精密挤压可显出非同寻常的严格尺寸和表面光洁度，工件的主要尺寸通常不需要机加工；挤压后产品的精度可容许用简单的切割、钻孔、扩孔和其它小量的机加工来达到。挤压、挤压与拉拔结合生产的无缝管可与机械制造的有缝管和焊接管相匹敌。1.2国内外铝工业发展的现状及趋势1.2.1 国内外铝工业发展现状中国铝电解技术自70年代末引进160KA中间下料预焙槽技术之后，从消化国外技术开始，揭开了中国现代铝电解技术发展的序幕

19、，以铝电解槽热电磁力特性及磁流体数学模型研究为核心，在工艺、材料、过程控制及配套技术等方面展开了广泛深入的研究工作。九十年代以来，在基础理论、大型铝电解槽开发现状及工程应用取得了一系列成果，开发成功了280KA、320KA以上的特大型电解槽技术，使铝工业的技术进步令人瞩目。大容量电解槽的开发，使中国铝电解技术总体上达到了国际先进水平，电解铝工业的面貌发生了根本的改变。实际运行方面比较差，由于开发时间短，对中国大型铝电解槽在生产领域的深层次开发明显不足，致使实际运行指标的生产指标与国际先进水平还有较大差距。多数在大负荷、小电网环境下运行，安全隐患多。铝电联营是中国电解铝企业发展的趋势之一，但同时

20、在技术上也存在相应的问题。由于大容量电解槽一般系列规模较大（一个系列产能可达20万吨以上），巨大的用电负荷集中在一个生产系列上（一般达40万KW以上），电解系列生产的任何波动都会造成电网或自备电厂较大的影响，甚至威胁供电安全。缺乏建立在对阴极破损机理与规律透彻掌握基础上的“精细设计”技术和提高槽寿命的综合技术措施，电解槽难以达到设计寿命，早期破损率高。影响中国大型槽槽寿命的问题除了中国普遍认为的阴极炭素材料质量方面的原因外，电解槽的设计、筑炉材料、筑炉质量、焙烧启动、正常生产操作及生产管理等方面均存在一些问题。导致这些问题的深层次原因是，中国尚缺乏对铝电解槽破损（常称为阴极破损）机理与规律的深

21、入掌握及在此基础上的“精细设计”技术和提高槽寿命的综合技术措施。随着电解槽容量的不断扩大，槽寿命问题就更加突出。中国铝业股价缺乏先进的生产操作技术，作业成本高。中国300KA级的特大型预焙铝电解槽投入工业应用的时间短。又不能完全照搬以前在大型预焙槽上的相关经验（这些经验也有很大局限性）。焙烧启动过程中电流分布不均的问题更突出且焙烧启动过程中的能耗大；投入运行后电解槽的物理场（电场、磁场、流场）容易波动，热平衡的维持较困难；槽电阻极易受外界的干扰而波动，阳极效应发生后熄灭困难，且由于电解槽的惯性大，一旦出现槽况波动或槽况异常现象，很难快速恢复正常。新型电解铝用钢壳铝芯阳极爪。就中国电解铝整体生产

22、状态而言，能源综合利用效率要比国际先进水平低15%左右，主要表现在：电流效率相差2-3个百分点；吨铝电耗相差300-800Kwh；电解铝用阳极生产过程能耗相差3Gj/t左右；电解铝阳极消耗相差30-60Kg（折合标准煤约75-150Kg）；电槽槽寿命相差1000天左右；阳极效应系数国际先进为0.1次/天.槽以下，中国最好水平在0.3次/天.槽左右。1.2.2 电解铝工业发展趋势目前世界电解铝工业的发展趋势主要表现在如下五个方面：（1）世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化；（2）铝电解槽日趋大型化或超大型化，其科技含量、智能化程度越来越高；（3）电解铝生产的指标向着高产、优质、低耗、长

23、寿和低污染的方向加快进步；（4）世界铝工业向电力充裕廉价、铝土矿资源丰富的地区转移；（5）电解铝新技术探索不断进行。1.3 电解铝生产1.3.1 铝电解工艺流程现代铝工业生产，主要采取冰晶石氧化铝融盐电解法。直流电流通入电解槽，在阴极和阳极上起电化学反应。阴极上是铝液，阳极上是CO2和CO气体。铝液用真空抬包抽出，经过净化和澄清之后，浇铸成商品铝锭，其质量达到99.5-99.8%A1。阳极气体中大约含有70-80%CO2和20-30%CO，还含有少量氟化物和沥青烟气，经过净化之后，废气排放入大气，收回的氟化物返回电解槽。图1-1是铝电解生产流程简图。图1-1 铝电解生产流程简图电解铝就是通过电

24、解得到的铝。现代电解铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950-970下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，即电解。重要通过这个方程进行：2Al2O34Al3O2。阳极：2O24eO2阴极: Al3+3eAl 1.3.2铝电解的原料：氧化铝铝电解的主体原料是氧化铝。生产每吨铝所需的Al2O3量，从理论上计算等于1889kg。实际上由于工业氧化铝大约含有Al2O3 98.5左右，以及在运输和加料过程中有尘散损失，所以生产每吨铝所需的氧化铝量大约是19201940kg。氧化铝是从铝土矿、霞石、蓝晶石、明矾石

25、、高岭石、粘土中提取出来的。我国目前主要采用铝土矿作为制取氧化铝的原料。生产氧化铝的方法主要有拜尔法、碱石灰烧结法、拜尔-烧结联合法等，具体采用何种方法，视铝土矿的性质而定。氧化铝是当前冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产铝的主体原料。其主要作用是不断补充电解质中的铝离子(Al3+)，使其保持适宜范围的浓度，以保障电解生产持续、稳定地进行。电解生产中，为了取得良好的技术经济指标，对氧化铝的要求是非常严格的，首先体现在其化学纯度上，其次是物理性能。1.化学纯度的要求工业氧化铝中通常含有Al2O3 99左右，其他成分通常为少量的SiO2，Fe2O3，TiO2，Na2O，CaO和H2O。在电解过程中，那些电

26、位正于铝的元素的氧化物性质，如SiO2和Fe2O3，都会被铝还原，还原出来的Si和Fe进入铝内，从而使铝的品位降低；而那些电位负于铝的元素的氧化物杂质，如Na2O和CaO会分解冰晶石，使电解质成分发生改变并增加氟盐消耗量。P2O5则会降低电流效率。水分进入电解槽内不仅可以水解冰晶石造成损失，引起电解质成分的改变，而且还要产生大量的氟化氢，恶化环境。若水分过大时，还能引起电解质爆炸，危及工人的安全。水分还会增加铝液中氢含量。所以铝工业对氧化铝的纯度提出了严格的要求。现代铝电解生产对于氧化铝的化学组成提出一些新的要求。例如，氧化铝中各项杂质的含量应符合下列条件：Na2O0.04% V2O5 0.0

27、03% SiO20.04%P2O5 0.003% Fe2O30.04% ZnO0.005% TiO20.85 0.753.7 3.9420.91.2 0.5 0.340中间状405035粉状6070210物料的安息角取决于它的一部分颗粒在另一部分颗粒上滑动或滚动的阻力。砂型氧化铝呈球状，颗粒较粗，平均粒度约为40-50m。安息角小，只有3050，其中Al2O3含量少于20，Al2O3含量较高，具有较大的活性，适于在干法气体净化中用来吸附HF气体，以及在半连续下料的电解槽上用作原料，故目前得到广泛应用。粉型氧化铝呈片状和羽毛状，颗粒较细，安息角大，约为45,Al2O3含量达到80。中间型氧化铝介

28、乎二者之间。1.3.3铝电解的熔剂：氟盐氟盐是铝电解的熔剂，是铝电解的辅助原料。铝电解的氟盐包括冰晶石、氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化锂等几种。在铝电解过程中，生产每吨铝的氟盐的消耗指标是：冰晶石520kg，氟化铝1530kg，氟化锂23kg。1.3.3.1 冰晶石铝电解所用的熔剂主要是冰晶石（3NaF-AlF3）。其中氟化钠与氟化铝的分子数之比称为冰晶石的分子比。分子比为3时，冰晶石呈中性；分子比小于3时，冰晶石呈酸性；分子比大于3时，冰晶石呈碱性。氧化铝能够溶解在由冰晶石和其它几种氟化物组成的熔剂里，构成冰晶石氧化铝熔液。这种熔液在电解温度在电解温度950oC左右能够良好的导电。它的密度大约

29、是2.1g/cm3,比同一温度下铝液的密度2.3g/cm3小10左右，因而能够保证铝液跟电解液分层。在这种熔盐里基本上不含有比铝更正电性的元素，从而能够保证电解产物铝的质量。天然冰晶石（3NaF-AlF3）产于格陵兰岛，属于单斜晶系，无色或雪白色，密度2.95，硬度2.5，熔点1010。但是它的储量有限，远远不能满足全世界铝工业的需要，所以现代铝工业采用合成冰晶石，其化学成分见表1-3。表13 国产冰晶石的质量标准（）等 级化学成分（%）不小于杂质成分（%） 不大于FAlNaSiO2Fe2O3SO42CaOP2O5H2O55030min灼减特级二级三级5353531313133232320.2

30、50.360.400.050.080.100.71.21.30.100.150.200.020.030.030.40.50.82.53.03.01.3.3.2 氟化铝工业氟化铝是白色极细的粉末，不粘手。在常压下加热不熔化，但在高温下升华。工业上广泛采用氟化铝来调整电解质成分，既可弥补电解质中氟化铝的挥发损失，又可调节电解质的分子比。国家标准(GB/T4292-1999)如表1-4。表1-4氟化铝质量标准(GB4292-84)等级化学成分，%(质量)FAlNaSiO2+Fe2O3SO42-P2O5H2O一级613040.41.20.057二级603050.51.50.057.51.3.3.3氟化

31、钙添加氟化钙一般在焙烧装炉时用之，其作用是起到矿化剂的作用，可以加速炉帮的形成，而形成的炉帮有较为坚固。同时可以降低电解质的初晶温度，从而降低电解温度。工业用氟化钙质量要求如表1-5所示。表1-5氟化钙质量标准(YB326-70)成分等级CaF2 （%）杂质含量 （%） 不大于不小于SiO2CaCO3H2O一级二级三级四级989795930.81.01.42.01.01.21.50.50.50.50.51.3.3.4氟化镁氟化镁(MgF2)跟氟化钙作用基本相似，但氟化镁一般在电解槽启动后期添加，可加速炉帮的形成。槽中添加MgF2，其作用比CaF2作用强烈，实践证明这是一种较好的添加剂。工业上对

32、氟化镁质量要求如表1-6所示。表16 氟化镁质量标准等级化学成分（%）一级F Mg45 32SO42- SiO2 R2O3 H2O1.5 0.9 2.0 1.01.4 电解铝机理1.4.1 铝电解的总反应铝电解基本原理就是熔体中各种离子在阴、阳两极上的电化学行为。到目前为止，有关铝电解基本原理的两大观点分别为铝被钠置换和与Al+直接放电。两种观点的总反应方程式均为： 2Al2O3（aq）+3C（s）=4Al（l）+3CO2（g）1.4.2 阴极反应Na3AlF6-Al2O3熔体中Na+是电流的主要传递者，所传输的电流达到总数的99%。在单一熔盐电解过程中，传输电流的离子往往就是在电极上放电的离

33、子。但是在复杂的熔盐体系中，如Na3AlF6-Al2O3熔体究竟是何种离子放电，则要根据它们的电极电位来确定。在其他条件相等时阳离子电位愈正，则在阴极上放电的可能性愈大，反之亦然。因此，在复杂的熔盐体系电解过程中，可能出现某种离子传递大部分电流，而在电极上放电的却是另外的离子的现象。在冰晶石氧化铝熔体中，已经证实在1000左右，纯钠的平衡析出电位比纯铝的约负250mV。同时根据研究表明，在阴极上离子放电时，并不存在很大的过电压（铝析出时的过电压约10-100mV）。因此阴极上析出的金属主要是铝，即铝是一次阴极产物。阴极反应是：Al3+（配离子）+ 3e = AlNa3AlF6-Al2O3熔体中

34、并不存在单独的Al3+，铝是包含在铝氧氟配离子中。因此，Al3+的放电之前首先发生含铝配离子的解离，但也不排斥配离子直接放电的可能性。然而，Na3AlF6-Al2O3熔体中钠和铝析出电位的差值并非一成不变，而是随着电解质摩尔比的增大、温度的升高、Al2O3浓度的减少以及阴极电流密度的提高等而缩小的。当两者电位差降低到接近于零时，钠离子就有可能同铝离子一同放电，造成电流效率的损失。为保证铝的一次反应充分进行，宜采用酸性电解质体系，在较低的温度下电解，并维持尽可能大的Al2O3浓度。此外槽内还必须具备良好的传质条件，防止Na+在阴极上大量积聚。1.4.3 阳极反应Na3AlF6-Al2O3熔体电解

35、过程是比较复杂的。这是由于阳极与阴极不同，炭阳极本身也参与电化学反应。铝电解时的阳极过程是配位阴离子中的氧离子在炭阳极上放电析出O2，然后与炭阳极反应生成CO2的。2O2（配离子）+ C - 4e = CO2因此，一次阳极产物应该是CO2气体。金诗伯和弗里格在阳极室用隔板隔开的电解槽上的试验结果表明，除了电流密度很低（0.06A/cm2）的情况外，阳极气体几乎都是纯CO2。但是，工业槽上的阳极气体总是含有20-30%的CO，这是由于炭渣的存在，或CO2气体渗入阳极孔隙中以及溶解在电解质中的铝再氧化反应所致。1.5 铝电解的主要设备铝电解槽简介1.5.1 电解槽槽型结构特点剖析铝电解槽是炼铝的主

36、要设备。铝电解槽分为自焙槽、预焙槽和试验槽。预焙槽的阳极是预先焙制好的，预焙槽中又分为不连续阳极预焙槽和连续阳极预焙槽。不连续阳极预焙槽是阳极块需要定时更换的槽型。不连续阳极预焙槽又分为边部下料和中间下料槽。这两种槽尤其是后者为目前铝电解生产的主力槽型。自焙槽的阳极是电解生产中在电解槽上自行焙烧的，按照阳极棒的插入方式又分为侧插阳极电解槽及上插阳极电解槽两种。由于自焙槽能耗大，且电解过程中产生有害的气体不便收集而极易造成严重的环境污染，因此这种槽型正在不断淘汰或被改造成预焙槽。下面的图分别为不连续阳极预焙槽、连续阳极预焙槽、上插棒阳极自焙槽和侧插阳极电解槽。 图1-2 不连续阳极预焙槽简图 图

37、1-3连续阳极预焙槽简图 图1-4上插棒阳极自焙槽简图 图1-5 侧插阳极电解槽简图1.5.2 铝电解槽槽型的发展趋势近年来，人们正在积极研制惰性阳极、惰性阴极、绝缘侧壁和多室槽。如能与低温电解(用Al2O3做原料，在800900下电解)配合成功，则铝电解生产将会发生重大的改革。这是铝冶金的未来发展方向。（1）惰性阴极惰性阴极是一种新型电极, 由于阴极是潜没式的, 它的上面覆盖着铝液层, 所以它的工作环境稍好于阳极。对惰性阴极材料的基本要求是：在高温下具有良好的热稳定性和机械强度；能抵御铝液和电解液的腐蚀作用；对铝液有良好的湿润性；能够和基体材料良好地结合, 从而阻止电解液渗透；在高温下有良好

38、的导电性。（2）惰性阳极它是由氧化锡、氧化镍、氧化铁、氧化锑和金属铜等制造的, 其特点是在冰晶石熔体中的溶解度小, 在高温下具有良好的导电性。（3）双极性电极它有1个阳极和1个阴极, 在这2个电极之间还有若干个双极性电极。此种双极性电极有一面为惰性阴极, 另一面为惰性阳极。其目标是抑制电极之间的短路, 以增加全槽的铝产量和减少电能消耗量。1.6 我国电解铝技术存在的问题1.6.1 电解槽寿命我国铝电解槽寿命比国外电解槽寿命短。至今没能解决。对铝电解生产来说，影响铝电解槽寿命的原因是多方面的：有电解槽结构设计的问题，有电解槽内衬材料选择与内村材料的合理结构设计的问题，有筑炉方法的问题，有筑炉质量

39、的问题，也有电解槽焙烧启动的方式、方法问题，更有电解槽早期技术管理和正常情况下电解工艺的选择与操作问题。应该说，上述各个过程和环节的好坏，都会影响电解槽的寿命。多年前，我国电解铝厂引进了国外的铝电解槽焦粒焙烧干法启动的技术，取代了落后铝液焙烧技术。尽管焦粒焙烧并不是属于我国自主知识产权技术，但对我国电解铝厂应该是一个技术上的进步。值得关注的是，尽管我国引进和使用了这一较为先进的铝电解槽焙烧技术，但槽寿命没有明显的提高。以最早使用这一焙烧技术的白银铝厂为例，电解槽的寿命仍然在1500天左右。由此可见，就我国电解铝厂来说，仅仅以焦粒焙烧干法启动取代铝液焙烧，想大幅度提高我国铝电解槽的寿命的目的不能

40、实现。另一方面也说明了提高电解槽寿命是一个系统的工程。就我国电解铝厂而言，电解槽内衬材料的选择和内衬材料结构设计、筑炉方法、筑炉质量，以及电解槽启动后的早期技术管理、正常的工艺技术操作等方面都存在不同程度的问题，都对电解槽的寿命有影响。而我国电解铝厂对这些方面的认识和了解不多，缺乏深入的研究。在谈及提高电解槽的寿命时，过去听到比较多的建议是使用石墨化和半石墨化的阴极炭块、硼化钛阴极涂层等技术。诚然这些措施对电解槽的寿命改善有好处，但它们并不是提高我国铝电解槽寿命的根本措施。综上所述，总结过去的经验，可以认为，我国如果不从电解槽内衬结构材料的选择与结构设计、筑炉方法、筑炉质量、焙烧和启动的方法和

41、质量，早期技术管理以及合理的电解槽工艺制度等各个方面上去研究、去改进、去提高，是不可能达到国际上电解槽寿命25003000天的技术水平的。1.6.2 阳极质量对于电解槽阳极质量上的差别，没有数量上的概念。由于我们没有健全的、与国外可供比较的质量检测方法、技术，也没有可信、可比的数据，很难对这一问题作出准确、定量的结论。我个人认为我国铝电解槽阳极质量极不稳定，好坏差别很大。由于供应的多渠道和质量检测手段落后、不完善，检测技术与质量标准和国际不接轨，缺乏对原材料性能、结构和成份进行配料等方面的工艺和技术研究，是造成阳极质量差的根本原因。 铝电解槽炭阳极之所以用石油焦做阳极，是因为在所有来源广、成本

42、低且纯度高的炭素材料中，非石油焦莫属。评价铝电解槽炭阳极的质量指标有多个方面，如密度、孔隙度、强度、电导率、导热率、抗氧化性能、对CO2的反应性能、透气率、抗热冲击性能等等。在这些质量指标中，有些具有相关性，如电导率和导热系数之间就有很强的相关性，这是所有固体导电材料固有的特性。阳极炭块导电性与导热性的好坏，同阳极炭块和石油焦本身的煅烧温度、炭块密度和孔隙度大小有关。导热性、导电性好的阳极炭块必然有较好的抗氧化性能。 对工业铝电解槽来说，比较直观的是看重炭阳极的导电、导热性能和抗氧化性能。因为这些性能好的阳极可以承受更大的电流密度，阳极电压降低，抵抗高温氧化的能力强，阳极消耗少。这些优点是铝电

43、解槽提高电流效率、降低电能消耗的基本保障。1.6.3 电流密度我国电解铝厂的大型预焙阳极电解槽电流密度一般在0.7A/cm2左右，属于低电流密度电解槽，而国外同类型的大型预焙阳极电解槽的阳极电流密度一般在0.8A/cm2以上。目前世界上最大的最先进的法国AP50(500kA)电解槽的阳极电流密度为0.8A/cm2，新西兰迪拜新系列的200kA电解槽的阳极电流密度为0.88A/cm2。这意味着，同样大小电解槽在其它技术经济指标不变的情况下，以阳极电流密度0.7A/cm2与0.8A/cm2相比，后者电解槽的产量比前者高14，这无疑使铝电解生产的成本大大降低。高电流密度电解槽代表着先进的铝电解槽设计和技术水平，过去我国电解铝厂一直认为，提高电解槽的电流密度最大的技术障碍是阳极质量问题，我国电解铝厂阳极质