第八章铝电解课件.ppt

第二讲 铝电解1.铝电解生产概论铝电解生产概论2.铝电解质体系铝电解质体系3.铝电解过程机理铝电解过程机理4.铝电解生产工艺铝电解生产工艺5.原铝的精炼原铝的精炼6.新法炼铝新法炼铝第一章第一章铝电解生产概论铝电解生产概论铝的物理性质铝冶金发展冰晶石氧化铝电解法铝电解用原材料的制备铝的主要物理性质铝的主要物理性质(1)熔点熔点99.996%的纯铝熔点为的纯铝熔点为933K（660）工业纯铝的最终凝固点工业纯铝的最终凝固点5752)沸点沸点铝的沸点是铝的沸点是24673)密度密度铝的实际密度值为铝的实际密度值为2.69662.6988g/cm34)导电性导电性高纯铝（高纯铝（99.995%）的电阻率在）的电阻率在293K时为时为(2.622.65)10-8m-1铝冶金的发展铝冶金的发展化学法炼铝化学法炼铝钾汞齐还原无水氯化铝钾汞齐还原无水氯化铝钾还原氯化铝气体钾还原氯化铝气体钠还原钠还原氯化铝气体氯化铝气体钠、镁还原冰晶石钠、镁还原冰晶石电解法炼铝电解法炼铝冰晶石氧化铝熔盐电解方案冰晶石氧化铝熔盐电解方案1.1883年美国布来德利（年美国布来德利（Bredley）提出了冰晶石提出了冰晶石-氧化氧化铝熔盐电解的方案。

铝熔盐电解的方案2.1886年美国霍尔（年美国霍尔（CbarlesHall）和法国埃鲁（和法国埃鲁（PaulHeroult）申请冰晶石申请冰晶石-氧化铝熔盐电解法得到专利氧化铝熔盐电解法得到专利3.1888年年8月拜尔获得了从铝土矿提取氧化铝方法的德月拜尔获得了从铝土矿提取氧化铝方法的德国专利4.瑞士冶炼公司获得了廉价的电力瑞士冶炼公司获得了廉价的电力n霍尔埃鲁法，拜尔法霍尔埃鲁法，拜尔法以及以及廉价的电力廉价的电力三者推进了美国和三者推进了美国和欧洲的铝工业欧洲的铝工业n以后其他各国相继采用冰晶石以后其他各国相继采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法氧化铝熔盐电解法冰晶石氧化铝熔盐电解的发展冰晶石氧化铝熔盐电解的发展电解法电极、电解质、盛置电解液的容器阴阴极极阳阳极极电源电源Al3+3eAlO2-2eO2阴阴极极阳阳极极电源电源Al3+3eAlO2-2eO2冰晶石氧化铝电解法冰晶石氧化铝电解法电极：电极：炭素材料炭素材料电解质电解质:冰晶石氧化铝熔液冰晶石氧化铝熔液容器容器电解槽电解槽Al炭素材料：炭素材料：铝工业上均采用炭素材料作电极铝工业上均采用炭素材料作电极炭阳极炭阳极和炭阴极和炭阴极在电解过程中，炭阴极原则上是不消耗的，在电解过程中，炭阴极原则上是不消耗的，炭阳极由于直接参与电化学反应而消耗。

炭阳极由于直接参与电化学反应而消耗阳极的作用主要有两种：导电和参加电解时阳极的作用主要有两种：导电和参加电解时的化学反应的化学反应铝电解槽铝电解槽预焙阳极电解槽预焙阳极电解槽间断型间断型连续型连续型自焙阳极电解槽自焙阳极电解槽上插槽上插槽旁插槽旁插槽铝电解用原材料的制备铝电解用原材料的制备 电解质体系氧化铝氧化铝冰晶石冰晶石氟化铝及氟化铝及其它氟化盐其它氟化盐氧化铝它是一种白色粉状物，熔点为它是一种白色粉状物，熔点为2050，沸，沸点为点为3000，真密度为，真密度为3.6g/cm3它不溶它不溶于水，于水，能溶于冰晶石熔体中能溶于冰晶石熔体中铝电解对于铝电解对于氧化铝的要求，一是它的化学纯度，再就氧化铝的要求，一是它的化学纯度，再就是其物理性能是其物理性能氧化铝的制备氧化铝的制备:氧化铝生产工艺氧化铝生产工艺冰晶石 冰晶石的分子式为冰晶石的分子式为Na3AlF6或或3NaFAlF3，它是溶它是溶剂的主要成分剂的主要成分铝电解生产中所用的冰晶石分天然和人造两种铝电解生产中所用的冰晶石分天然和人造两种天然冰晶石的储量很少，远远不能满足铝工业的天然冰晶石的储量很少，远远不能满足铝工业的需要，所以现代铝工业采用人造冰晶石。

需要，所以现代铝工业采用人造冰晶石人造冰晶石生产方法：人造冰晶石生产方法：酸法酸法、碱法、干法和磷肥、碱法、干法和磷肥副产法多种副产法多种氟化铝在铝电解生产中，氟化铝是冰晶石在铝电解生产中，氟化铝是冰晶石氧化铝熔体氧化铝熔体的一种添加剂的一种添加剂氟化铝是一种白色粉末，粒度比氧化铝稍大氟化铝是一种白色粉末，粒度比氧化铝稍大它的作用是可以弥补电解质中氟化铝的损失，降它的作用是可以弥补电解质中氟化铝的损失，降低电解温度以保证生产技术条件的稳定低电解温度以保证生产技术条件的稳定铝电解生产中所用的氟化铝，目前主要采用铝电解生产中所用的氟化铝，目前主要采用干法干法生产工艺生产工艺其他氟化盐其次有一些用来调整和改善电解质性质的其次有一些用来调整和改善电解质性质的添加剂，如氟化钙、氟化镁、氟化钠和碳添加剂，如氟化钙、氟化镁、氟化钠和碳酸钠等多采用相应的碳酸盐与氢氟酸作用来制取多采用相应的碳酸盐与氢氟酸作用来制取第二章第二章 铝电解质体系铝电解质体系电解质体系的组成电解质体系的组成电解质体系的性质电解质体系的性质电解质的组成工业生产上的电解质是由多种成分构成工业生产上的电解质是由多种成分构成在铝电解生产中，连接阳极和阴极之间不可缺少的熔盐体在铝电解生产中，连接阳极和阴极之间不可缺少的熔盐体叫电解质，它主要是以叫电解质，它主要是以冰晶石冰晶石为熔剂，为熔剂，氧化铝氧化铝为熔质而组为熔质而组成。

成但在现代铝工业生产中使用的电解质并非单纯的冰晶石和但在现代铝工业生产中使用的电解质并非单纯的冰晶石和氧化铝因为冰晶石和氧化铝含有一定数量的氧化铝因为冰晶石和氧化铝含有一定数量的杂质杂质成分，成分，如：氧化钠，氧化铁，氧化硅和氧化钙等如：氧化钠，氧化铁，氧化硅和氧化钙等另外，在电解生产中，为了改善电解质的物理化学性能，另外，在电解生产中，为了改善电解质的物理化学性能，提高电解生产指标，还向电解质中加入某些提高电解生产指标，还向电解质中加入某些添加剂添加剂，如，如，氟化铝、氟化镁、氟化锂、氯化钠等氟化铝、氟化镁、氟化锂、氯化钠等冰晶石溶剂的特性1.熔点：熔点：熔融的冰晶石能够较好的熔解氧化铝，而且熔融的冰晶石能够较好的熔解氧化铝，而且所构成的电解质可在冰晶石的熔点所构成的电解质可在冰晶石的熔点1008以下进行以下进行电解，从而也降低了氧化铝的还原温度电解，从而也降低了氧化铝的还原温度2.密度：密度：在电解温度下，熔体状态的冰晶石或冰晶石在电解温度下，熔体状态的冰晶石或冰晶石-氧化铝熔液的比重比铝液的比重还小约氧化铝熔液的比重比铝液的比重还小约10%，它能，它能更好地漂在电解出来的铝液上面。

更好地漂在电解出来的铝液上面3.流动性流动性：（黏度）冰晶石：（黏度）冰晶石氧化铝熔体具有较好的氧化铝熔体具有较好的流动性流动性4.导电率：导电率：具有相当良好的导电性具有相当良好的导电性铝电解体系的熔点1.冰晶石：冰晶石：1008；2.金属铝：金属铝：650；3.氧化铝氧化铝：2050；电解温电解温度：度：950Na3AlF6-Al2O3二元系相图二元系相图Na3AlF6-Al2O3-AlF3三元系相图三元系相图1AlF302AlF353AlF310NaFAlF3二元系相图二元系相图NaF:AlF3(mol)3中性中性3碱性碱性3酸性酸性现代冰晶石氧化铝电解质的组成现代冰晶石氧化铝电解质的组成电解质的性质 电解质的密度电解质的熔点电解质的粘度电解质的表面张力与湿润性电解质的电导率1.密度（密度（d）冰晶石冰晶石的密度在的密度在1000下为下为2.0957g/cm32.导电率（导电率（）冰晶冰晶石的导电率在石的导电率在1000下为下为2.855cm-13.粘度（粘度（）纯冰晶纯冰晶石熔液的粘度在石熔液的粘度在1000时为时为2.4(mPas)4.在炭板上的湿润角在炭板上的湿润角（）：）：122o；继续继续增加增加AlF3浓度，则浓度，则角减小。

角减小NaF-AlF3二元系二元系1.密度：密度：wAl=99.5%纯纯铝在铝在1000下的密度下的密度为为2.29g/cm3在同在同一温度下，一温度下，w(Al2O3)=5%的冰晶的冰晶石熔液的密度为石熔液的密度为2.09g/cm32.电导率：电导率降低电导率：电导率降低3.粘度：随粘度：随Al2O3含量含量增大而减小增大而减小4.表面张力：氧化铝在表面张力：氧化铝在此界面上是一种表面此界面上是一种表面活性物质活性物质Na3AlF6-Al2O3二元系二元系第三章第三章 铝电解过程机理铝电解过程机理分解电压两极反应电解机理阳极效应分解电压所谓分解电压分解电压就是维护长时间稳定电解，并获得电解产物所必须加到两极上的最小电压最小电压理论分解电压在数值上等于两个电极所构成的原电池的电理论分解电压在数值上等于两个电极所构成的原电池的电动势可以通过热力学计算求得式中ET0化合物的理论分解电压，V；F法拉第常数；F=96487C/mol；GTo化合物的生成自由能变化，Jmol-1；n电池反应相应的电荷数Al2O3的生成自由能和分解电压的生成自由能和分解电压惰性阳极惰性阳极2Al（液）（液）+3/2O2=Al2O3（固）（固）Na3AlF6-Al2O3的分解电压的测定和结果的分解电压的测定和结果活性阳极活性阳极2Al（液）（液）+1.5CO2（气）（气）=Al2O3（固）（固）+1.5C（固）（固）12Al（液）（液）+3CO（气）（气）=Al2O3（固）（固）+3C（固）（固）2电解质中其它组分的分解电压/V铝电解过程中的两极反应铝电解过程中的两极反应2O2-+C4eCO2Al3+3eAl2Al2O3+3C4Al+3CO2铝电解机理铝电解机理冰晶石冰晶石氧化铝熔液中的离子有氧化铝熔液中的离子有Na+、AlF63-、AlF4-、F-，还有还有Al-O-F型配离子。

其中型配离子其中Na+是是单体离子，单体离子，O2-和和Al3+结合在配合离子里；结合在配合离子里；Na+是电荷的主要运载者是电荷的主要运载者（99）；）；阳极是配合离子中的阳极是配合离子中的O2-放电；阴极是配合离子放电；阴极是配合离子中的中的Al3+放电；放电；两种观点：两种观点：钠离子放电理论（钠置换铝理论）钠离子放电理论（钠置换铝理论）铝离子直接放电理论铝离子直接放电理论随着铝的消耗，钠就会随着铝的消耗，钠就会同铝一起放电；同铝一起放电；析出的钠少部分溶解在铝中，剩下的一部分被阴极析出的钠少部分溶解在铝中，剩下的一部分被阴极炭素内衬吸收，一部分以蒸汽状态挥发出来（钠的炭素内衬吸收，一部分以蒸汽状态挥发出来（钠的沸点为沸点为880），在电解质表面被空气或阳极气体所），在电解质表面被空气或阳极气体所氧化，产生黄色火焰可能的反应为：氧化，产生黄色火焰可能的反应为：4NaO22Na2O2NaCO2Na2OCO2NaCONa2OC金属钠的析出金属钠的析出Na+eNa冰晶石冰晶石氧化铝熔盐电解在电解过程发生主氧化铝熔盐电解在电解过程发生主反应的同时，伴随着一系列副反应，主要发反应的同时，伴随着一系列副反应，主要发生如下反应：生如下反应：2Al（溶解的）溶解的）3CO2=Al2O3十十3CO此外，由于碳阳极散落掉渣，分离后飘浮在此外，由于碳阳极散落掉渣，分离后飘浮在电解质表面，当二氧化碳气体与这些碳渣接电解质表面，当二氧化碳气体与这些碳渣接触时，会发生还原反应而生成一氧化碳。

触时，会发生还原反应而生成一氧化碳CCO22CO阳极副反应阳极副反应阳极效应发生时的现象阳极效应是铝电解过程中发生在阳极上的一种阳极效应是铝电解过程中发生在阳极上的一种特殊现象当其发生时：特殊现象当其发生时：阳极上出现许多细小而明亮的电弧阳极上出现许多细小而明亮的电弧槽电压升高到数十伏槽电压升高到数十伏原因：原因：由于氧化铝浓度减小所致（由于氧化铝浓度减小所致（Al2O3浓度减少到浓度减少到0.51.0）图图阳极效应的利、害方面阳极效应的利、害方面有利方面有利方面阳极效应的发生说明氧化铝含量很低；阳极效应的。