铝电解(电解铝)生产工艺技术大全-从入门到精通.doc

铝电解（电解铝）生产工艺技术大全-从入门到精通发布日期：2010-10-18 浏览次数：95 铝电解用的原材料大致分三类：原料——氧化铝；熔剂——氟化盐(包括冰晶石、氟化铝、氟化钠、氟化镁、氟化钙、氟化锂等)；阳 现代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，氧化铝作为电解铝生产溶质，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，既电解化学反应化学反应主要通过这个方程进行：2Al2O3==4Al 3O2 阳极：2O2ˉ-4eˉ=O2↑阴极:Al3 3eˉ=Al阳极产物阳极产物主要是二氧化碳和一氧化碳气体，其中含有一定量的氟化氢等有害气体和固体粉尘为保护环境和人类健康需对阳极气体进行净化处理，除去有害气体和粉尘后排入大气阴极产物阴极产物是铝液，铝液通过真空抬包从槽内抽出，送往铸造车间，在保温炉内经净化澄清后，浇铸成铝锭或直接加工成线坯，型材等1．生产工艺工艺(1)工艺机理铝电解工业生产采用霍尔-埃鲁冰晶石-氧化铝氧化铝融盐电解法所谓冰晶石－氧化铝融盐就是以冰晶石为主的氟化盐作为熔剂，氧化铝为熔质组成的多相电解质体系，即为 Na2AIF6-A12O3二元系和 Na3AIF6-AIF3-Al2O3三元系是工业电解质的基础。

能够传导电流和在电流通过时改变自己成分的液体叫做电解质许多年以来，铝电解质一直以冰晶石为主体，其原因如下①纯冰晶石不含析出电位（放电电位）比铝更正的金属杂质（铁、硅、铜等），只要不从外界带入杂质，电解生产可以获得较纯的铝②冰晶石能够较好的溶解氧化铝，在电解温度 950-970℃时，氧化铝在冰晶石溶液中的溶解度约为 10％（质量）③在电解温度下，冰晶石一氧化铝熔液的密度比同温度的铝液的密度小，它浮在铝液上面，可防止铝的氧化，同时使电解质和铝很好地分离，这既有利于电解过程，又简化了电解槽结构④冰晶石有一定的导电能力，这样使得电解液层的电压降不至过高⑤冰晶石熔液在电解温度下有一定的流动性，阳极气体能够从电解液中顺利地排出，而且有利于电解液的循环，使电解液的温度和成分都比较均匀⑥铝在冰晶石熔液中的溶解度不大，这是提高电流效率的一个有利因素⑦冰晶石熔液的腐蚀腐蚀性很大，但碳素材料能抗受它的侵蚀，用碳素材料作内衬建造电解槽基本上可以满足生产的要求⑧在熔融状态下，冰晶石基本上不吸水，挥发性也不大，这将减少物料消耗并能保证电解液成分相对稳定以上所述有的是冰晶石的优点，也有的是它的缺点，如纯冰晶石的熔点较高（1008.5℃），导电性能不好和腐蚀性强，以及氧化铝在其中的溶解量不大等，这些导致了熔盐电解法生产铝时电能消耗大，建设投资和生产费用高。

多年来，为了克服其缺点，促使入们去寻找能代替它的新物质，但至今尚未取得成功；同时，入们也研究使用一些添加物像氟化钙、氟化镁、氟化锂等，来改善冰晶石一氧化铝熔体的性质因此，铝工业用的电解质已经远不是简单的二元系而是多元系了现将添加物氟化钙、氟化镁、氟化锉对电解质熔融温度的影响列于表表表 1 1 添加物对电解质熔融温度的影响添加物对电解质熔融温度的影响加添加物时的熔融温度/℃电解质成分未加添加物时熔融温度/℃5%10%添加物种类965953CaF2950920MgF22.7Na·FAlF3+5%Al2O3982930 LiF从表 1 可以看出，氟化锂、氟化镁能显著地降低电解质的初品温度，但这些添加物分别有降低氧化铝溶解度或恶化其他性质的缺点，所以只有控制适当的添加量才能起到预期的效果迄今为止，还没有一种完全合乎理想的添加剂在固态下冰晶石比铝密度大，但融化之后则比铝密度小，在电解温度下此密度变化及差值使电解液和铝液能很好地分离开，铝液沉在槽底，电解液漂浮在上层，保护在阴极析出的铝不遭受氧化液体表面分子或离子被其内层的分子或离子所吸引向内压缩的力量叫做表面张力铝电解槽中产生表面张力现象的不同物质的接触面有四个：①熔融电解质和气体（阳极气体和空气）的界面；②熔融电解质和固体碳素阳极的界面；③熔融电解质和液体金属的界面；④液体金属与固体碳素阴极的界面。

在电解槽内，金属同电解质，以及金属同碳素材料的界面上有很大表面张力，因而铝不能湿润碳素，从而不能被其吸收由于铝在电解质界面上具有大的表面张力，这样就有助于减少铝在电解质中的溶解损失铝在碳素界面上的表面张力决定于它的纯度，铝中含有硅、铁，特别是钠能够降低其表面张力，因而促进了向炭块的孔隙与裂缝中渗透，从而影响电解槽的寿命在现代工业上供给铝电解生产使用的原材料有冰晶石、氟化钠、氟化铝、氟化钙、氟化镁和氧化铝等这种由冰晶石和其他几种氟化物组成的熔剂与氧化铝组成的电解质在950℃左右能够很好地导电，而能够抵抗这种电解质侵蚀并且又能良好导电且价格低廉的惟有碳素材料因此，目前铝工业均采用炭阳极和炭阴极，电解过程总的反应方程式为：（如果阳极气体组成是 70%CO2＋30%CO 时）这种电解质熔液在 950℃左右密度大约为 2.1g/cm3,比同一温度下铝液 2.3 g/cm3小 10%左右，因而能够保证电解过程中铝液与电解质熔液分层在这种熔液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此外，冰晶石一氧化铝熔液基本上不吸水，在电解温度下它的蒸气压不高，具有较大的稳定性当电流通过电解质时，使这些物质组成在电极上分离出来的现象叫做电解，盛电解质的装置就叫做电解槽。

在正常生产时，电解槽的槽底积存一定数量的金属铝，这个金属层的表面就是阴极表面，它与电解质直接接触，因而必然有部分金属溶解到电解质中去，阴极金属铝溶解到电解质中是降低电流效率的主要原因影响铝在电解质中的溶解度的最大因素是温度，温度愈高，铝的溶解损失愈大根据对铝电解槽的多次测量表明，温度每升高 10℃，电流效率大约降低 1%-2％因此，电解槽力求保持低温操作，对于提高电流效率是有好处的阳极效应是熔盐电解时的特殊现象，冰晶石氧化铝电解时，当电解区中氧化铝含量降低到 1％-2％时，则可在阳极上发生阳极效应阳极效应发生的原因，有多种解释，但最受重视能较好解释效应现象的是湿润性改变学说和电极过程改变学说两种，在此不做详细解说2)铝电解生产工艺流程简述铝电解生产过程，主要是以冰晶石一氧化铝熔液做电解质，碳素材料为阴极和阳极，直流电从阳极导入，经过电解液和铝液层后从阴极棒导出，直流电的作用是以热能形式保持冰晶石、氧化铝等原料呈熔融状态和实现电化学反应，反应结果在阳极上生成二氧化碳和一氧化碳气体，在阴极上析出液态金属铝随着电解过程的进行，析出的铝被蓄积起来，周期地从电解槽中取出来，取出的铝从电解厂房送往铸造部门，经过相应的处理后浇铸成各种规格的坯锭。

一台电解槽是一个生产单元，一定数量的电解槽串联起来构成一个系列，一个或几个系列组成一个电解车间铝电解生产工艺流程如图 1 所示从图 1 可见，电解铝电解铝使用的原料是氧化铝、阳极糊或预焙阳极块（阳极块）、冰晶石、氟化铝和其他氟化物等，这些原料都是在专门的车间或工厂中制备的烟气中除二氧化碳和一氧化碳外，还含有少量的氟化氢或其他气体，氟化氢是有害气体，影响周围环境，应当予以妥善处理现行净化方法有湿法和干法两种，究竟哪种方法更为适用，应根据电解槽槽型以及具体条件确定，净化时收回的再生冰晶石或含氟氧化铝可返回电解槽使用电解铝生产的主要设备—电解槽在安装完毕后，要经过焙烧和开动阶段后才能转入正常生产，一般能持续进行生产 3-5 年，有时由于槽内衬早期发生破损，严重影响铝的产量、质量或发生漏槽危险时，便将电解槽停槽检修，检修好以后经过焙烧开炉再恢复生产3）电解铝所用的原料及质量要求①氧化铝（A12O3） 氧化铝是三氧化二铝的简称，也称作铝氧它是从铝矿石提取出来的当前生产氧化铝用的砂石有铝土矿铝土矿、霞石、蓝晶石、明矾石和高岭土等我国目前主要采用铝土矿作为制取氧化铝的原料，其生产工艺和产品的质量要求详见氧化铝生产工艺篇。

②冰晶石（Na3AIF6） 冰晶石的分子式也可写成 3NaF.AlF3，冰晶石中氟化钠和氟化铝摩尔比叫做冰晶石的分子比，纯冰晶石的分子比等于 3，相对密度是 2.9，其组成是 Al 占 12.8%，Na 占 32.8%，F 占 54.4%冰晶石分子比大于 3 的属碱性，小于 3 的属酸性，等于 3 的是中性生产上使用的冰晶石有四种：天然冰晶石，入造冰晶石，回收所得的浮选冰晶石和再生冰晶石a.天然冰晶石 在自然界中天然冰晶石矿非常少，从矿山开采出来的天然冰晶石一般含 80%左右的纯冰晶石，所以必须经过分选才能得到合乎要求的产品分选后的冰晶石的组成大致是：A1 占 13%一 14%，F 占 53%-54%，Na 占 30%-32%，此外还有少量的铁硅等杂质随着铝工业的发展，由于天然冰晶石储藏量小、分布不普遍、质量差，远远满足不了电解炼铝的需要，所以入们只能用入工方法大量生产冰晶石，中国铝工业从一开始就使用入造冰晶石生产铝b.入造冰晶石 一般通称合成冰晶石，工业上只简称冰晶石，它是白而稍带灰色的粉末，质感柔软，略粘手，用手可捏拢成团，不溶于水铝电解用合成冰晶石的分子比在1.6-2.0 左右，由于受生产方法限制，其杂质含量比氧化铝高，冰晶石的产品质量级别如表 2 所示。

表表 2 2 冰晶石质量级别冰晶石质量级别（GB4291-84）化学成分/% 等级FAlNaSiO2+F2O3SO42-P2O5H2O特级5313310.250.80.020.5一级5313310.41.20.050.8二级5313310.51.50.051.3C.浮选冰晶石 电解槽正常生产时，在电解液表面上经常漂浮一层炭渣，捞出的炭渣中约含 60%-70%电解质，通常采用浮选法从炭渣中选出电解有用的成分，称为浮选冰晶石对拆槽下的废炭块进行浮选时也能得到浮选冰晶石d.再生冰晶石 电解槽采用湿法进行烟气净化时回收的冰晶石，称为再生冰晶石，其中往往含有少量的氧化铝、其他氟化物以及炭粉等需要指出，浮选冰晶石和再生冰晶石的质量波动都较大，在使用之前要进行质量分析，而且常常是先加入母槽里，经过净化后再移入正常槽中③氟化铝（A1F3） 氟化铝是白色坚硬的粉末，比氧化铝的颗粒稍大一些，它的流动性仅次于氧化铝，在电解温度下易挥发，遇水易水解在电解过程中由于氟化铝的挥发和水解而使电解液分子比提高，为保持规定的分子比，需根据分析结果补充氟化铝以调整电解液的成分，氟化铝的质量级别如表 3 所示表表 3 3 氟化铝质量级别氟化铝质量级别（GB4292-84）化学成分/%FAlNaSiO2+F2O3SO42-P2O5等级≥≤H2O一级613040.41.20.057二级613050.51.50.057④氟化钠（NaF） 氟化钠是白色粉末，易溶于水。

电解槽开动初期，因为其碳素内衬选择吸收氟化钠，使电解液分子比急剧下降，那时要用较多的氟化钠调整分子比此外，因为装槽用合成冰晶石的分子比太低，为调整到开动要求的分子比，也需要掺配大量的氟化钠，氟化钠的质量级别如表 4 所示表表 4 4 氟化钠质量级别氟化钠质量级别（GB4293-84）产品化学成分/%级别≥≤NaFH2OSiO2酸度（HF）Na2CO3硫酸盐SO42-水中不溶物一级980.50.50.10.50.30.7二级94110.110.53三级841.5 0.12210⑤氟化钙（CaF2） 氟化钙是从天然萤石精选出来的，选后的粒度为通过 140 目的占 90%，其中有 75％通过 200 目氟化钙是应用较早较普遍的一种添加物，其化学成分占的比例如下：CaF2 SiO2 A12O3＋F2O3 H2O CaCO3＞95％ ＜1.4％ ＜0.5％ ＜0.5％ ＜1.5％⑥氟化镁（MgF2） 氟化镁也是一种添加物，但使用得不太普遍，而且使用时间较氟化钙晚，入。