有色金属冶金学之铝电解(二)精讲教案

1、1,有色金属冶金学 Non-ferrous Metallurgy,Aluminium Electrolysis 铝电解（二）,2,5.1 概述 铝电解槽全部生产过程包括三个阶段：焙烧期、启动和启动后期、正常生产期。 （1）铝电解槽的焙烧期 目的：焙烧自焙阳极（对预焙槽则是加热阳极）以及加热阴极，达到900-1000，以便下一步启动。 焙烧方法：焦粒焙烧法,5、铝电解的生产过程 Aluminum Manufacturing,3,（2）铝电解槽的启动期 目的：在电解槽内熔化电解质，开始铝电解。分干式和常规启动两种。 干式适用于启动新系列中的头几台槽 常规启动适用已有电解槽生产 启动时间1小时。 从启动到正常生产之间有一个过渡期，称为启动后期，大约1个月。,4,（3）铝电解槽的正常生产期 电解槽经过焙烧和启动之后便进入正常生产期，直到停槽为止，正常生产期通常延续5-7年。 电解槽正常生产的特征： A、从火眼中冒出有力的火苗，颜色呈蔚蓝色或淡紫蓝色； B、槽电压和温度稳定地保持在设定的范围内；,5,C、阳极完好、周围电解质沸腾良好。炭 渣分离出来； D、槽面上的结壳完整，疏松好打； E、电解质

2、与铝液分层清楚； F、电解槽侧壁上有凝固的电解质，它是 由冰晶石和刚玉构成的，是一种电和 热的绝缘体。,6,5.2 电流效率 铝电解的电流效率指阴极上实际产出的铝量对于理论上按照法拉第定律计算的铝量的百分数。 用公式表示,式中，I为电流强度， t为电解时间， m为实际铝产量,7,提高铝电解电流效率的主要措施： （1）在适当低的过热温度下进行电解; 过热温度指电解温度与电解质的初晶点之间的差值。每降低过热温度10，平均提高电流效率1-1.5%。目前一般为5-15。 （2）建立和保持理想的槽膛内型； （3）尽可能使槽内铝液保持平静； （4）选用低熔点的电解质组成，使用惰性的可湿润阴极，如二氧化硼涂层阴极。,8,5.3 铝电解中的电能消耗与电能效率,电能效率：理论电耗与实际电耗之比 铝工业中节电的意义和潜力 根据理论计算，生产每吨铝只需要直流电能6320kWh。但是在工业上生产每吨铝需要直流电能13500- 14000kWh。 电能效率4060,9,每吨铝实际耗电量用下式计算： 式中 V 电解槽的总平均电压； 电流效率,节电途径 （1）提高电流效率 （2）降低平均电压,10,现代工业铝电解槽

3、的技术参数和生产指标（280kA预焙槽） 阳极电流密度/（Acm-2) 0.70 槽电压/V 4.0-4.1 温度/ 945-960 极距/cm 4.0 物质的量比 2.0-2.4 氧化铝的质量分数/% 2-4 添加剂质量分数/% CaF2 6 电解质水平/cm 20-22 铝液水平/ cm 12-15 效应系数/（次（槽日）-1） 1.0 电流效率/% 90 铝产量/(kg （槽日）-1） 2030 电耗率/（kWht-1) 13000,11,6、铝精炼 6.1铝的纯度分类 (1) 原铝。指用熔盐电解法在工业电解槽内制取的铝，其纯度一般为99.5%-99.85%。 （2）精铝。一般来自三层液精炼电解槽。其纯度通常在99.99-99.999%。 （3）高纯铝。主要用区域熔炼法制取。杂质质量分数不超过110-6。,12,杂质情况： 原铝中主要是铁和硅，此外还有镓、钛、钒、铜、钠、锰、镍、锌等。 精铝产品中，主要杂质仍是铁和硅，但是锌、铜、镁、钠的含量接近铁，可能会超过硅。,13,从电解槽中取出的铝液通常含有三类杂质： A、金属杂质； B、非金属固态夹杂物：氧化铝、炭、 碳化铝； C、气态

4、夹杂物：H2、CO2、CO、CH4、 N2。其中最主要的是H2。 在1000，100g工业原铝大约溶解氢气0.2-0.4cm3。 铝液中的氢有两种形态：原子氢和气态氢。前者溶解在铝液中，后者吸附在固态夹杂物颗粒上。,14,6.2 铝液净化 往铝液中通入惰性气体(如氮气)或活性气体(氯气)，可使铝液中的固态夹杂物吸附在气泡上，并随气泡上升至铝液表面,最后在过滤层中分离。 净化方法： 在低温（刚刚熔点以上）长时间静止或通入氮气加以搅拌，清除氢。 通入氯气，与铝反应生成氯化铝气泡。比氮气效果好。,15,16,6.3 三层液电解法制取精铝,17,精铝用途 70%制造电解质电容器，制造反光镜。 美国Hoopes1901年发明 下层液体：阳极合金，30%铜与70%铝，密度3.4-3.7g/cm3. 中层液为电解质，纯氟化物和氯氟化物体系，密度2.7-2.8 g/cm3. 最上层精铝，用作阴极，密度2.3 g/cm3,18,工业上用两类电解质体系： （1）纯氟化物体系。其组成中AlF3 NaF BaF2 CaF2的质量分数分别48%，18%，10%，16%；密度（液态）约2.8g/cm3，熔点680

5、，操作温度740 。 （2）氯氟化物体系。其组成中AlF3 NaF BaCl2 NaCl的质量分数分别23%，13%，60%，4%；密度（液态）约2.7g/cm3，熔点700-720，操作温度760-800 。,19,铝的电解精炼原理： 在阳极合金的各种金属元素当中，只有铝在阴极上溶解出来。阳极合金中，如铜、铁、硅之类比不活泼的金属元素，并不溶解，仍然残留在合金内。阳极上的电化学溶解反应是：Al - 3e = Al3+ 因此，电解液中除了原有的Al3+, Ba2+, Na+, F-, Cl-, AlF3-6, AlF4-之外，增加了上述反应中的铝离子Al3+。,20,迁往阴极的各种阳离子中，铝的电极电位比较正，故Al3+优先在阳极上获得电子，析出金属铝： Al3+ + 3e = Al 而其余的各种阳离子，如Ba2+, Na+之类，并不放电。但是电解质本身所含的电位比铝更正的元素，例如Si和Fe，却会在阴极上析出，使铝的纯度降低。 电解精炼的结果是铝从阳极合金中溶解出来，并在阴极上沉积，得到纯度为99.99%的精铝。生产1t精铝需要电能17000-18000kWh（直流电）。,21,6.

6、4 偏析法制取精铝,基本原理： 当原铝从熔融状态下徐缓冷却，到达其初晶点时，结晶析出纯度很高的铝粒，然后将此种铝粒跟剩余的铝液分离，便得到所要求的偏析法产物，可从99.8%的原铝中提取到纯度为99.95%的铝, 其提取率为5-10%。 法国彼施涅公司的偏析法原理图 优点：产量大、能耗低、成本低； 缺点：纯度低,22,6.5 区域熔炼法制取高纯铝 基本原理: 在铝的凝固过程中,杂质在固相中的溶解度小于在熔融金属中的溶解度,因此, 当金属凝固时, 大部分杂质将汇聚在熔区内.如果逐渐移动熔区, 则杂质会跟着转移,最后富集在试样的尾部. 分离效果取决于元素的分配系数(固相浓度/液相浓度),23,分配系数: 指杂质元素在固相中和在液相中的质量分配比率。 分配系数小于1的杂质元素在区域熔炼中富集在试样的尾部；分配系数大于1的杂质元素在区域熔炼中富集在试样的头部；分配系数等于1的杂质元素在区域熔炼中难以分离。 纯度达99.99995%; 金属杂质的质量分数不高于0.510-6,24,7 炼铝用惰性电极材料(inert materials) 惰性阴极(inert cathode) 在高温下具有良好的热稳定性和力学强度; 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; 在高温下有良好的导电性. 常用：硼化钛TiB2 TiC NbB2 ZrB2 等, 成型方法：热压法(hot pressing), 等离子喷涂法(plasma spraying), TiB2炭糊涂覆振动成型法(vibroforming of TiB2 film),25,惰性阳极(inert anode) 采用碳素阳极时电极反应式： 2Al2O3 + 3C = 4Al + 3CO2 理论分解电压1.18v 缺点：能耗高(耗电、耗优质碳)、污染 采用惰性阳极时的电极反应： Al2O3 = 2Al+1.5O2 理论分解电压2.21V,优点,降低阳极过电压（0.40.6V降到0.3V）,保护环境（副产品为O2）,减小极距（45cm降到3cm）,惰性电极结合低温电解技术(low temperature aluminum electrolysis)、新型电解槽结构是未来铝电解发展方向,

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