轻金属冶金专链

轻金属冶金专论轻金属冶金专论专专 题题一、铝电解原理一、铝电解原理二、铝电解电解质二、铝电解电解质三、铝电解电流效率、电能效率和能量平衡三、铝电解电流效率、电能效率和能量平衡四、铝电解新型电极材料四、铝电解新型电极材料五、铝电解节能节炭的深层研究五、铝电解节能节炭的深层研究铝铝电解原理电解原理吕晓军吕晓军中南大学中南大学目目 录录一、铝电解生产概论一、铝电解生产概论二、铝电解槽及电解槽系列二、铝电解槽及电解槽系列三、铝电解原料（冰晶石与氟化盐）生产三、铝电解原料（冰晶石与氟化盐）生产四、冰晶石四、冰晶石-氧化铝熔体的结构氧化铝熔体的结构五、铝电解机理五、铝电解机理六、阳极过电压和阳极效应六、阳极过电压和阳极效应 1 铝铝的的特特性性与与用用途途1 1）AlAl：轻、强、美、可再生利用；轻、强、美、可再生利用；2 2）产量：）产量：第二大金属，仅次于钢，全球第二大金属，仅次于钢，全球24002400万吨万吨/年，我国年，我国20012001年达年达342.5342.5万吨（万吨（425425万吨），万吨），全全球第一，而今年预计将达到球第一，而今年预计将达到660660万吨，成为世界万吨，成为世界生产能力最大的铝工业大国；生产能力最大的铝工业大国；3 3）用途广泛：）用途广泛：包装、建筑、交通运输、国防、电包装、建筑、交通运输、国防、电子电器、日用品及耐用消费品等。子电器、日用品及耐用消费品等。一、铝电解生产概论一、铝电解生产概论 包装包装食品食品医用医用饮料饮料 1 铝铝的的特特性性与与用用途途一、铝电解生产概论一、铝电解生产概论 建筑：建筑：高层建筑、室内装修和新型桥梁等高层建筑、室内装修和新型桥梁等 1 铝铝的的特特性性与与用用途途一、铝电解生产概论一、铝电解生产概论 1 铝铝的的特特性性与与用用途途 建筑：建筑：一、铝电解生产概论一、铝电解生产概论 交通运输交通运输汽车汽车高速列车高速列车飞机飞机轮船轮船 1 铝铝的的特特性性与与用用途途一、铝电解生产概论一、铝电解生产概论 1 铝铝的的特特性性与与用用途途 交通运输交通运输一、铝电解生产概论一、铝电解生产概论 1 铝铝的的特特性性与与用用途途 交通运输交通运输一、铝电解生产概论一、铝电解生产概论 1 铝铝的的特特性性与与用用途途 交通运输交通运输一、铝电解生产概论一、铝电解生产概论 1 铝铝的的特特性性与与用用途途 交通运输交通运输一、铝电解生产概论一、铝电解生产概论1 1）金属热还原法）金属热还原法18251825年：年：德国的韦勒，用钾汞齐和钾还原无水德国的韦勒，用钾汞齐和钾还原无水AlClAlCl3 318451845年：年：法国戴维尔，用法国戴维尔，用NaNa还原还原NaClNaCl-AlCl-AlCl3 3混合盐，开始混合盐，开始小规模生产；小规模生产；18551855年年：德国罗西，用德国罗西，用NaNa还原还原NaNa3 3AlFAlF6 6；18651865年：年：俄国别凯托夫，用俄国别凯托夫，用MgMg还原还原NaNa3 3AlFAlF6 6，并建厂炼铝。并建厂炼铝。在有色金属中，铝的发现和冶炼较晚，十八世在有色金属中，铝的发现和冶炼较晚，十八世纪末被发现，十九世纪初分离出单独金属，十九世纪末被发现，十九世纪初分离出单独金属，十九世纪末开始工业生产，可大体分为纪末开始工业生产，可大体分为三个历史阶段：三个历史阶段：产量小（总共约产量小（总共约200吨），成本高，未能广泛应用吨），成本高，未能广泛应用一、铝电解生产概论一、铝电解生产概论 2 铝铝冶冶炼炼历历史史2 2）小型预焙）小型预焙/自焙阳极电解槽炼铝自焙阳极电解槽炼铝 18861886年，年，HallHall和和HeroultHeroult分别申请冰晶石分别申请冰晶石-氧氧化铝熔盐电解法炼铝专利；化铝熔盐电解法炼铝专利；最初槽型为小型预焙槽、最初槽型为小型预焙槽、2020世纪初出现侧插世纪初出现侧插自焙阳极电解槽、自焙阳极电解槽、2020世纪世纪4040年代出现上插自焙阳年代出现上插自焙阳极电解槽，电解槽容量由最初的极电解槽，电解槽容量由最初的2 2kAkA发展到发展到8080kAkA或或更高；更高；一、铝电解生产概论一、铝电解生产概论 2 铝铝冶冶炼炼历历史史3 3）大型预焙阳极电解槽炼铝）大型预焙阳极电解槽炼铝 2020世纪世纪5050年代，大型预焙铝电解槽出现，使年代，大型预焙铝电解槽出现，使电解炼铝技术迈向了大型化、现代化发展新阶段，电解炼铝技术迈向了大型化、现代化发展新阶段，在产能、电流效率、能耗、环保、机械化和自动在产能、电流效率、能耗、环保、机械化和自动化程度等方面获得了很大发展，化程度等方面获得了很大发展，但其基本原理并但其基本原理并未发生改变。未发生改变。一、铝电解生产概论一、铝电解生产概论 2 铝铝冶冶炼炼历历史史一、铝电解生产概论一、铝电解生产概论铝电解基本原理图铝电解基本原理图二、铝电解槽及电解槽系列二、铝电解槽及电解槽系列 按阳极结构发展顺序，铝电解槽可分为：按阳极结构发展顺序，铝电解槽可分为：1 小型预焙电解槽；小型预焙电解槽；2 侧插自焙阳极电解槽；侧插自焙阳极电解槽；3 上插自焙阳极电解槽；上插自焙阳极电解槽；4 大型不连续预焙阳极和连续预焙阳极电解槽；大型不连续预焙阳极和连续预焙阳极电解槽；5 中间下料大型预焙阳极电解槽中间下料大型预焙阳极电解槽二、铝电解槽及电解槽系列二、铝电解槽及电解槽系列 1 预预焙焙阳阳极极电电解解槽槽最早预焙阳极电解槽电流小、最早预焙阳极电解槽电流小、能耗高，被自焙阳极电解槽取能耗高，被自焙阳极电解槽取代，代，5050年代重新兴起：年代重新兴起：自焙阳自焙阳极难以大型化；可生产出大规极难以大型化；可生产出大规格炭块；可提供大电流；槽结格炭块；可提供大电流；槽结构简单，节约材料；阳极气体构简单，节约材料；阳极气体易收集；易收集；电解槽包括阳极装置电解槽包括阳极装置（阳极母线大梁、阳极炭块组（阳极母线大梁、阳极炭块组和阳极升降机构）和阳极升降机构）和阴极装置和阴极装置（阴极炭块组、钢制槽壳和保（阴极炭块组、钢制槽壳和保温材料砌体）温材料砌体）二、铝电解槽及电解槽系列二、铝电解槽及电解槽系列 1 预预焙焙阳阳极极电电解解槽槽连续预焙阳极电解槽连续预焙阳极电解槽优点（优点（德国采用德国采用）1 1）不换极，生产连续；）不换极，生产连续；2 2）无阳极残极，炭耗小；）无阳极残极，炭耗小；3 3）阳极电流分布均匀，阳极消）阳极电流分布均匀，阳极消耗均匀。耗均匀。缺点：缺点：1 1）阳极无）阳极无AlAl2 2O O3 3保温，热损失大；保温，热损失大；2 2）接缝电阻大；）接缝电阻大；3 3）结构复杂）结构复杂4 4）指标偏低）指标偏低二、铝电解槽及电解槽系列二、铝电解槽及电解槽系列 2 自自焙焙阳阳极极电电解解槽槽二、铝电解槽及电解槽系列二、铝电解槽及电解槽系列自焙自焙槽槽n阳极可连续使用；阳极可连续使用；n不需专门工厂进行阳极成型，不需专门工厂进行阳极成型，焙烧，装爪等。焙烧，装爪等。n烟害大；烟害大；n槽电压比预焙槽约高槽电压比预焙槽约高0.10.10.20.2V V，电耗比预焙槽高约电耗比预焙槽高约10001000度；度；n上插棒槽的上部金属结构比上插棒槽的上部金属结构比较复杂，机械化程度低，投较复杂，机械化程度低，投资大。资大。预焙预焙槽槽n电耗低，槽电压低；电耗低，槽电压低；n电解槽造价少；电解槽造价少；n可大型化，操作的机械化程可大型化，操作的机械化程度高；度高；n烟害小。烟害小。n非连续式预焙阳极电解槽需非连续式预焙阳极电解槽需更换阳极；更换阳极；n需成套的阳极制备工厂，投需成套的阳极制备工厂，投资多。资多。铝铝工业的主流是大型预焙电解槽，工业的主流是大型预焙电解槽，但正开发采用惰性但正开发采用惰性阳极和可润湿性阴极的新型铝电解槽。阳极和可润湿性阴极的新型铝电解槽。二、铝电解槽及电解槽系列二、铝电解槽及电解槽系列 3 电电解解槽槽系系列列许多同类型电解槽串联构许多同类型电解槽串联构成电解槽系列，其槽数取决于成电解槽系列，其槽数取决于产能、电流强度、供电整流功产能、电流强度、供电整流功率等；率等；电解槽可横向或纵向排列，电解槽可横向或纵向排列，可设置为双行或单行；可设置为双行或单行；电解厂房分为双层和单层电解厂房分为双层和单层结构，整流所一般在电解厂房结构，整流所一般在电解厂房一端，须有备用电源一端，须有备用电源三、炭阳极生产工艺三、炭阳极生产工艺 铝电解用炭素材料主要包括：铝电解用炭素材料主要包括：阳极糊、预制阳极块、侧部炭块阳极糊、预制阳极块、侧部炭块和和底部炭块底部炭块四种。四种。本节主要介绍阳极材料本节主要介绍阳极材料-阳极糊和预制阳极块阳极糊和预制阳极块 一、生产炭素阳极的原料一、生产炭素阳极的原料 原料包括：原料包括：骨料骨料和和粘接剂粘接剂两部分两部分 1 1、骨料、骨料-石油焦、沥青焦石油焦、沥青焦 对骨料的要求：对骨料的要求：灰分含量不能过高，会因带入杂质而影响铝的质量；灰分含量不能过高，会因带入杂质而影响铝的质量；硫的含量过高，易使炭素制品开裂，电阻率增高；硫的含量过高，易使炭素制品开裂，电阻率增高；钒元素也会增大炭素材料的氧化活性，故其含量不宜太高。钒元素也会增大炭素材料的氧化活性，故其含量不宜太高。2 2、粘接剂、粘接剂-沥青沥青 其主要功能是粘结固体骨料，构成具有一定塑性的炭糊，并且其主要功能是粘结固体骨料，构成具有一定塑性的炭糊，并且在炭糊焦化过程中渗入骨料之间，使阳极具有足够的机械强度。在炭糊焦化过程中渗入骨料之间，使阳极具有足够的机械强度。沥青是煤焦油经高温分馏后的残渣，是多种碳氢化合物的混合沥青是煤焦油经高温分馏后的残渣，是多种碳氢化合物的混合体。通过溶剂萃取可将其分离为体。通过溶剂萃取可将其分离为高分子组分高分子组分、中分子组分中分子组分和和低分子低分子组分组分。三、炭阳极生产工艺三、炭阳极生产工艺 2 2、粘接剂、粘接剂-沥青沥青 高分子组分高分子组分是焙烧时形成焦化残炭的主要载体，它影响炭素阳极的空是焙烧时形成焦化残炭的主要载体，它影响炭素阳极的空隙率大小及强度，它没有粘结性，所以高分子含量过高会影响沥青的粘隙率大小及强度，它没有粘结性，所以高分子含量过高会影响沥青的粘结能力。结能力。中分子组分中分子组分主要起粘结作用，中分子组分的含量是沥青性能的重要指主要起粘结作用，中分子组分的含量是沥青性能的重要指标，一般需要达到标，一般需要达到20-35%20-35%才能制得合格的产品。才能制得合格的产品。低分子组分低分子组分主要作用是溶剂的作用，能降低沥青的软化点，有利于改主要作用是溶剂的作用，能降低沥青的软化点，有利于改善沥青对焦碳颗粒的润湿性，并提高糊料成型时的可塑性。善沥青对焦碳颗粒的润湿性，并提高糊料成型时的可塑性。三、炭阳极生产工艺三、炭阳极生产工艺 2 2、粘接剂、粘接剂-沥青沥青沥青根据软化点的不同，可分为：沥青根据软化点的不同，可分为：软沥青（软沥青（48 5148 51）；）；硬沥青（硬沥青（8080以上），用于预焙阳极和上插槽阳极糊；以上），用于预焙阳极和上插槽阳极糊；中硬沥青（中硬沥青（65 75 65 75），用于侧插槽阳极糊。），用于侧插槽阳极糊。三、炭阳极生产工艺三、炭阳极生产工艺2 2、粘接剂、粘接剂-沥青沥青要求：要求：1.1.中分子组分中分子组分:(20%):(20%)其是保证粘结性能的重要成分其是保证粘结性能的重要成分2.2.固定炭固定炭:(50%):(50%)固定炭固定炭-沥青在隔绝空气的条件下，加热到沥青在隔绝空气的条件下，加热到800800、干馏、干馏3 3小小时，排除全部挥发分后残留的总碳量。焦化过程中沉积在时，排除全部挥发分后残留的总碳量。焦化过程中沉积在骨料之间骨料之间,降低阳极孔隙率降低阳极孔隙率,提高机械强度和导电率提高机械强度和导电率;3.3.水份水份0.5%,0.5%,灰分灰分0.5%0.5%三、炭阳极生产工艺三、炭阳极生产工艺三、