第一章鋁電解的基本理論第一章鋁電解的基本理論1=11.1鋁的性質(zhì)及用途鋁是地球上含量極豐富的金屬元素，其蘊(yùn)藏量在金屬中居第二位。在地殼中含量低于氧和硅而位居第三位。由于鋁的化學(xué)性質(zhì)很活潑，因而在自然界里沒有單質(zhì)的金屬鋁存在，而是以含鋁的各種化合物狀態(tài)存在。鋁的化合物在自然界中分布極廣，含鋁的礦物有250種，但在工業(yè)上有開采價(jià)值的鋁礦，只有為數(shù)不多的幾種。鋁是一種銀白色的金屬，具有一系列良好的性能。純鋁焙點(diǎn)為660冗，沸點(diǎn)為2500冗。鋁是一種很輕的金屬。在常溫下密度為2.7即鋁的質(zhì)量為同體積水重的2.7倍，但約為鋼、銅的質(zhì)量的三分之一。在鋁中加人少量的銅、鎂、錳、鉻、硅做成的合金，具有質(zhì)輕強(qiáng)度大，可機(jī)加工性、物理和力學(xué)性能好，抗氧化能力強(qiáng)等一系列優(yōu)良性能，從而使鋁及鋁合金在很多應(yīng)用領(lǐng)域中被認(rèn)為最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的結(jié)構(gòu)材料之一。鋁有較好的抗腐蝕能力。暴露在空氣中的鋁塊，很快氧化為一層致密的氧化鋁薄膜，可防止鋁進(jìn)一步氧化。因而在大多數(shù)環(huán)境條件下，包括在空氣、水〈或鹽水）、石油化學(xué)和很多化學(xué)體系中，鋁能顯示優(yōu)良的抗腐蝕性能。鋁的導(dǎo)電性良好，只比金、銀、銅差一點(diǎn)。鋁的導(dǎo)電性隨其純度而有所不同，約為銅的導(dǎo)電率的619八，但制造同樣導(dǎo)電率的電線所使用的鋁的質(zhì)量只有銅的一半。因此鋁廣泛地用于電氣、電子工業(yè)，如用來制造母線、電線、電動(dòng)機(jī)、電容器等。鋁的導(dǎo)熱性能也很好，導(dǎo)熱率為銀的一半，比鐵的大三倍。鋁合金的導(dǎo)熱率是銅的509609，所以工業(yè)上許多散熱器、加熱電器、熱交換器等都是鋁制成的。鋁的可塑性好，可以加工成各種型材，雖然純鋁極軟且富延展性，但仍可靠冷加工及做成合金來使它硬化，用合金鋁可以鑄成形狀復(fù)雜的零件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體及外殼，精密儀表上的零件等。鋁是非鐵磁性的，這對(duì)電氣工業(yè)和電子工業(yè)而言是一重要特性。鋁是不能自燃的，這對(duì)涉及裝卸或接觸易燃易爆材料的應(yīng)用來說是重要的。鋁無毒性，通常用于制造盛裝食品和飲料的容器。它的自然表面狀態(tài)具有宜人的外觀，它柔軟、有光澤，而且為了美觀，還可著色或染上紋理圖案。鋁的表面具有高度的反射性。輻射能、可見光、輻射熱和電波都能有效地被鋁反射，而陽極氧化和深色陽極氧化的表面可以是反射性的，也可以是吸收性的，拋光后的鋁在很寬波長范圍內(nèi)具有優(yōu)良的反射性，因而具有各種裝飾用途及具有反射功能性的用途。鋁在工業(yè)中用途很廣，從19世紀(jì)末開始，鋁成為在工程應(yīng)用中具有競爭力的金屬，且風(fēng)行一時(shí)。航空、建筑、汽車三大重要工業(yè)的發(fā)展，要求材料特性具有鋁及其合金的獨(dú)特性質(zhì)，這就大大有利于這種新金屬。自氧化鋁-冰晶石熔鹽電解誕生開始，世界上首批以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力設(shè)備的車輛問世，隨之而來的便是作為汽車業(yè)需用的、具有越來越大的工程價(jià)值的材料一一鋁及其合金對(duì)汽車工業(yè)的發(fā)展開始起重要的作用。電氣化也要求將大量質(zhì)輕的導(dǎo)電金屬鋁用于長距離輸送電，用于建造支撐架空電纜網(wǎng)絡(luò)所需要的塔架，以便于發(fā)電廠傳輸電能。鋁工業(yè)的發(fā)展還不只限于上述內(nèi)容。鋁在商業(yè)上應(yīng)用于諸如鏡框、門牌和餐用托盤之類的新穎物品。鋁制的炊事用具也成為市場上的一類商品?，F(xiàn)在，鋁已發(fā)展成具有各種各樣用途的材料，其范圍之廣足以使現(xiàn)代生活的各個(gè)側(cè)面直接地受到鋁的應(yīng)用的影響。鋁最大的用途是在運(yùn)輸和建筑業(yè)。鋁廣泛地用在各種交通工具的制造上，在建筑業(yè)上，由于鋁在空氣中的穩(wěn)定性和陽極處理后的極佳外觀而受到很大的應(yīng)用，高強(qiáng)度鋼線補(bǔ)強(qiáng)的鋁纜，廚房用具則是鋁最早的用途，在今日仍為一個(gè)極為廣大的市場?；谄浠瘜W(xué)抗藥性，鋁特別適合用在化學(xué)藥品制造和儲(chǔ)運(yùn)的構(gòu)件上，鋁對(duì)氧的親和力很高，故也大量用于鋼和鐵的除氧劑。世界上的產(chǎn)鋁量集中于美國、俄羅斯、加拿大、澳大利亞、巴西、挪威，上列國家的產(chǎn)鋁量占全球產(chǎn)量的609八以上。鋁的供應(yīng)來源除了原鋁外，回收鋁也占有很高的比例，回收鋁又分為舊料回收（主要來源是飲料罐和汽車廢件）、新料回收（加工過程中的鋁屑）兩種。由于環(huán)保意識(shí)升高，回收鋁量年年創(chuàng)新高。鋁工業(yè)是產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度較高的產(chǎn)業(yè)，鋁與原材料制造業(yè)和裝備制造業(yè)的關(guān)系非常密切。在我國，現(xiàn)有124個(gè)產(chǎn)業(yè)中，有113個(gè)部門使用鋁產(chǎn)品，其中：在101個(gè)物質(zhì)生產(chǎn)部門中，有96個(gè)產(chǎn)業(yè)部門消耗鋁冶煉產(chǎn)品或壓延產(chǎn)品；在23個(gè)非物質(zhì)生產(chǎn)部門中，有17個(gè)產(chǎn)業(yè)部門消耗鋁冶煉產(chǎn)品或壓延產(chǎn)品。根據(jù)投人產(chǎn)出表測算，原材料制造業(yè)消耗鋁產(chǎn)品總量占全部124個(gè)產(chǎn)業(yè)消耗量的32八6\裝備制造產(chǎn)業(yè)消耗鋁產(chǎn)品總量占全部124個(gè)產(chǎn)業(yè)消耗量的58八3，原材料制造業(yè)和裝備制造業(yè)合計(jì)消耗占90"9。制造業(yè)包括消費(fèi)品制造業(yè)、原材料制造業(yè)和裝備制造業(yè)，而這些產(chǎn)業(yè)都是我國經(jīng)濟(jì)增長的發(fā)動(dòng)機(jī)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的推動(dòng)力。制造業(yè)加速發(fā)展，將會(huì)帶動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)保持較長的高速增長期。預(yù)計(jì)我國在今后一定時(shí)間里，仍將處在工業(yè)化進(jìn)程中。因此，作為工業(yè)基礎(chǔ)的鋁工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r就顯得更加重要。我國經(jīng)濟(jì)將繼續(xù)保持相對(duì)較高的增長率，一方面對(duì)鋁工業(yè)的發(fā)展提供了巨大的需求空間，另一方面也更提高了鋁工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位，增加了快速發(fā)展鋁工業(yè)的緊迫性。1.2鋁電解的基本理論知識(shí)1.2.1鋁電解的基本原理鋁土礦石經(jīng)過溶出，沉降分離，分解，焙燒等一系列工序處理得到固體氧化鋁，作為鋁電解的原料。固體氧化鋁溶解在焙融冰晶石焙體中，形成具有良好的導(dǎo)電性均勻熔體，采用碳素材料做陰陽兩極，當(dāng)通入直流電后，即在兩極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在陽極上得到氣態(tài)物質(zhì)，陰極上得到液態(tài)鋁，其過程簡單的描述為：溶解的氧化鋁通9直！電液態(tài)鋁（陰極）十氣態(tài)物質(zhì)（陽極〉鋁的工業(yè)生產(chǎn)全部采用活性陽極〈炭陽極）。采用炭陽極生產(chǎn)時(shí)，隨著電解過程的進(jìn)行，陽極碳參與電化學(xué)反應(yīng)，生成碳的化合物一一二氧化碳（（八:），反應(yīng)式為：苜流由八1203〈溶解+Ml固）“2八1（液）十其電極反應(yīng)過程為：八1203〈固）溶解、電由離"2人配合狀〉。（配合狀〉陰極：八配合狀〉十""人“液）陽極：02-〈配合狀）一知：""原子）20〈原子）一以固）二⑶2〈氣）依據(jù)此原理隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行，電解質(zhì)熔體中的氧化鋁、固體碳陽極不斷被消耗掉，因此，生產(chǎn)中需不斷地向電解質(zhì)熔體中添加氧化鋁和補(bǔ)充碳陽極，使生產(chǎn)得以連續(xù)進(jìn)行。冰晶石在原則上不消耗，但在高溫熔融狀態(tài)下會(huì)發(fā)生揮發(fā)損失和其他機(jī)械損失，因此，電解過程中也需做一定補(bǔ)充。除此之外，還需向反應(yīng)過程供給大量的直流電，噸鋁的直流電能消耗為13000?15000"氣以推動(dòng)反應(yīng)向生成鋁的方向進(jìn)行。在實(shí)際生產(chǎn)中，陽極氣體不完全是的乂二氧化碳），而是的：和的的混合物，其中的主要由電解過程中的副反應(yīng)所產(chǎn)生，也稱為二次氣體。1.2.2鋁電解質(zhì)及其性質(zhì)鋁電解生產(chǎn)中，連接陽極和陰極之間不可缺少的熔鹽叫電解質(zhì)。在電解過程中，液體電解質(zhì)是保證電解過程能夠進(jìn)行的重要條件之一。液體電解質(zhì)主要以冰晶石為溶劑以氧化鋁為溶質(zhì)而組成，其主要成分是冰晶石〈占859八左右），還含有一定數(shù)量的其他有用成分和雜質(zhì)，如氧化鈉、氧化鐵、氧化硅等。冰晶石的化學(xué)式為?八“？&此種配比的冰晶石稱為正冰晶石。正冰晶石在常溫下呈白色固體，其實(shí)測熔點(diǎn)約為1010冗，自然界中天然冰晶石的貯量極少，工業(yè)上所用冰晶石均為化學(xué)合成產(chǎn)品。冰晶石中所含氟化鈉摩爾數(shù)與氟化鋁摩爾數(shù)之比稱為冰晶石的摩爾比（俗稱分子比），其表達(dá)式為：冰晶石的鹿?fàn)柋?-冰晶石中所含氟化鈉摩爾數(shù)一八冰曰日石的摩小比?-冰晶石中所含氟化鋁摩爾數(shù)一?巧工業(yè)上也將冰晶石中氟化鈉與氟化鋁的組成比用質(zhì)量比表示其表達(dá)式為：冰曰石的質(zhì)旦比廠冰晶石中所含氟化鈉成分的質(zhì)量冰日日石的質(zhì)里比尺八冰晶石中所含氟化鋁成分的質(zhì)量"在關(guān)系上，摩爾比二質(zhì)量比乂2即8=1八2摩爾比等于3〈質(zhì)量比等于1.5）的冰晶石形成的電解質(zhì)稱為中性電解質(zhì)，摩爾比大于3〈質(zhì)量比大于1.5）的冰晶石形成的電解質(zhì)稱為堿性電解質(zhì)，摩爾比小于3〈質(zhì)量比小于1八5）的冰晶石形成的電解質(zhì)稱為酸性電解質(zhì)。目前鋁工業(yè)上均采用酸性電解質(zhì)生產(chǎn)。鋁電解質(zhì)的性質(zhì)，對(duì)鋁電解生產(chǎn)十分重要。了解和掌握電解質(zhì)的各種性質(zhì)，有助于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)條件的控制改善生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，提高生產(chǎn)效益。鋁電解質(zhì)的性質(zhì)主要指電解質(zhì)的初晶溫度、密度、導(dǎo)電度、粘度、表面性質(zhì)、揮發(fā)性等。下面分別介紹并敘述其與生產(chǎn)的關(guān)系。1.初晶溫度初晶溫度是指混合物液體開始形成固態(tài)晶體的溫度。熔點(diǎn)是晶體物質(zhì)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，所以初晶溫度與熔點(diǎn)的物理意義是不同的。電解質(zhì)的初晶溫度與其物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，純的正冰晶石的熔點(diǎn)為1010冗，但在其中添加固體氧化鋁形成冰晶石-氧化鋁均勻熔體電解質(zhì)后，其初晶溫度隨氧化鋁含量增多而降低。當(dāng)氧化鋁的含量達(dá)到約109時(shí)，中性鋁電解質(zhì)熔體的初晶溫度達(dá)到最低點(diǎn)，約為960冗。電解質(zhì)的摩爾比降低，其初晶溫度也隨之降低，但氧化鋁的溶解量卻會(huì)降低。對(duì)于鋁電解而言，由于熔鹽電解必須在高于鋁熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行，因此鋁的熔點(diǎn)決定了熔鹽電解的溫度。在此前提之下，生產(chǎn)中需要電解質(zhì)的初晶溫度越低越好，這樣可以降低工作溫度〈工作溫度一般控制在初晶溫度以上10-15冗的范圍)。另外為了降低能耗和對(duì)反應(yīng)器材料及保溫性能的要求，改善工人的工作環(huán)境，減小電解質(zhì)的揮發(fā)損失，也希望在較低溫度下進(jìn)行電解，因此生產(chǎn)中一般力求降低電解質(zhì)的初晶溫度。2八密度密度是指單位體積的某物質(zhì)的質(zhì)量，其單位為：8八“。冰晶石在接近熔點(diǎn)處的密度為1.112"砠3,隨著溫度升高，密度呈線性降低。在電解槽的正常生產(chǎn)過程中，槽內(nèi)始終存在著兩種不相互混合的液體層，上層是電解質(zhì)，下層是液體鋁。如果電解質(zhì)的密度與液體鋁的密度相同或接近，二者難以分層、分離，對(duì)生產(chǎn)則是極不利的。鋁液和電解質(zhì)的密度隨著溫度升高而降低，由于兩者的性質(zhì)不同，他們的密度隨溫度升高而下降的速度不同，這樣就在同一電解溫度下出現(xiàn)了密度差，從而保證兩者能較好的分層。影響電解質(zhì)密度的因素較多，其中主要有電解質(zhì)溫度和添加物。電解質(zhì)溫度升高其密度減少；反之，溫度降低，電解質(zhì)密度增大。氧化鋁含量增多，密度隨之降低。而添加劑也可以改變?nèi)埯}電解質(zhì)的密度。在常用的各種添加劑中，喊和使電解質(zhì)密度增大，而添加口？使電解質(zhì)密度減小。說、與電解質(zhì)中的冰晶石反應(yīng)生成體積龐大的絡(luò)合離子，因而它們能使電解質(zhì)密度減小。熔融電解質(zhì)的密度關(guān)系著電解質(zhì)與產(chǎn)物的分離，希望二者密度不同，自然分層，而且密度差愈大愈有利于生產(chǎn)。例如鋁電解時(shí)電解質(zhì)密度為2.08"砠3,而液態(tài)鋁為2.38八砠3,鋁水的密度比電解質(zhì)大些，故沉于電解槽底部。生產(chǎn)中，為了增大密度差，應(yīng)盡可能減小電解質(zhì)的密度，以增大鋁液與電解質(zhì)的密度差，有利于鋁液分離，提高電流效率。、-粘度熔融電解質(zhì)的粘度一般在1乂⑴-3101)-3r’8范圍之內(nèi)，數(shù)值是較低的。粘度除影響電導(dǎo)外，對(duì)熔鹽電解過程影響很大。電解質(zhì)的粘度影響電化學(xué)反應(yīng)中的各種傳遞過程，如電解質(zhì)的流動(dòng)、氣體的析出、鋁液的聚集、物料的沉降、電荷粒子的電遷移和擴(kuò)散。電解質(zhì)溫度降低，則粘度增大；反之，則粘度減小。工業(yè)鋁電解所采用的是酸性電解質(zhì)，它隨著電解質(zhì)分子比的降低，粘度減小，反之則增大。各種添加劑對(duì)冰晶石熔體的粘度都有一定的影響。廠03、"2、均使粘度增大，的影響尤為突出。41&、口？使冰晶石熔體的粘度減小。除加入添加劑可使粘度變化外，熔鹽中加入微量的固體粉末，如陽極炭粒、氧化鋁粉末等也影響粘度的大小。屯導(dǎo)電度導(dǎo)電度也稱為比電導(dǎo)或電導(dǎo)率，它是物體導(dǎo)電能力大小的標(biāo)志，通常用比電阻（電阻率）的倒數(shù)來表示。顯然，電解質(zhì)的比電阻小，其導(dǎo)電度大，電解質(zhì)的導(dǎo)電就好，相反則差。一般來說，電解質(zhì)的導(dǎo)電度隨溫度的升高而增加。純冰晶石的導(dǎo)電度，隨著溫度升高，其導(dǎo)電度基本成線性增大。在電解質(zhì)熔體中，隨著氧化鋁濃度的增加，電解質(zhì)的導(dǎo)電度減小。工業(yè)電解質(zhì)的導(dǎo)電度除受電解質(zhì)成分的影響外，還受以下方面的影響：O電解質(zhì)中的炭渣使電解質(zhì)的電阻率增大。八懸浮在電解質(zhì)中的氧化鋁以及雜質(zhì)也使電阻率增大。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以采用添加劑改變?nèi)埯}電解質(zhì)的導(dǎo)電度，同時(shí)要考慮各種因素的影響，力求提高電解質(zhì)的導(dǎo)電度，降低電解質(zhì)電阻，進(jìn)而降低槽工作電壓，有利于降低生產(chǎn)能耗。表面性質(zhì)（”表面張力：抵消液體表面積的收縮，必須克服液體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的引力而做功，我們把這個(gè)用來抵消表面單位長度上的收縮表面的力稱為表面張力。液相表面張力的大小不僅與自身性質(zhì)有關(guān)，并且與相接觸的相的性質(zhì)也有關(guān)。相接觸的介質(zhì)有三類，即氣相、液相和固相。液相-氣相間的表面性質(zhì)稱為表面張力；液相-液相間的表面性質(zhì)通常稱為界面張力；液相、固相間的表面性質(zhì)通常用濕潤性〈濕潤角大小〉來表示。生產(chǎn)中要求電解質(zhì)與陽極氣體之間有較大的表面張力，有利于陽極氣體的逸出；要求電解質(zhì)與鋁液之間應(yīng)有較大的界面張力，這樣可以降低鋁在電解質(zhì)中的溶解速度，增大鋁與電解質(zhì)的分離速度?！?〉濕潤性：液相對(duì)固相的濕潤能力。液相對(duì)固相表面的濕潤程度取決于其表面張力的大小，如果液相質(zhì)點(diǎn)相互間的吸引力小于與之接觸的固相質(zhì)點(diǎn)的吸引力，則此液相在該固相表面上的張力就小，這樣液相能夠很好地濕潤該固相，否則，濕潤性不良。固體的表面被液體濕潤的程度可用濕潤角、”表示。0〉90。表示液體對(duì)該固體的濕潤性不良，0角越大，濕潤性越差。90。表示液體對(duì)該固體的濕潤性好，0角越小，濕潤性越好，如圖1-1所示。圖1-1濕潤性與濕潤角的關(guān)系生產(chǎn)中當(dāng)陽極主反應(yīng)是析氣反應(yīng)時(shí)，為了防止形成“氣泡簾”，希望電解質(zhì)在陽極表面有良好的潤濕性；電解質(zhì)對(duì)陽極的濕潤性好，可以使陽極氣體迅速脫離陽極表面，減小氣膜電阻。但不宜太好，太好會(huì)造成電解質(zhì)中的炭渣分離困難。在陰極，若只是析出液態(tài)金屬，并無氣體析出時(shí)，則希望液態(tài)金屬能較好地濕潤陰極表面，但又不希望電解質(zhì)在電極表面的潤濕性太好，因?yàn)橹挥羞@樣才能有效地阻止電解質(zhì)向陰極內(nèi)襯中滲透，減輕爐底破損，增加陰極炭塊的壽命，這本身就是一種矛盾，一定要控制得當(dāng)才能實(shí)現(xiàn)。6I揮發(fā)性物質(zhì)的揮發(fā)性，一般是指液體在低于沸點(diǎn)的狀態(tài)下，分子以氣態(tài)逸出（蒸發(fā)）的程度。揮發(fā)性通常用物質(zhì)的蒸氣壓來表示。某種液體在某一溫度下的蒸氣壓力大，即說明其揮發(fā)性大，否則就小。蒸氣壓隨溫度升高而升高，到液體的沸點(diǎn)時(shí)，蒸氣壓與大氣壓相等，液體沸騰。蒸氣壓對(duì)熔鹽鋁電解生產(chǎn)具有實(shí)際意義，因?yàn)檎魵鈮河撸埯}愈易蒸發(fā)，這樣就引起熔鹽電解質(zhì)的揮發(fā)損失，而且增加了有害物的排放，造成對(duì)人體的危害和環(huán)境污染，同時(shí)增加了原材料的消耗，這對(duì)生產(chǎn)都是不利的。因此生產(chǎn)中要求電解質(zhì)的揮發(fā)性要小。實(shí)踐測定，氟化鹽的揮發(fā)損失占氟化鹽消耗的329\它是電解質(zhì)成分中揮發(fā)性最大的物質(zhì)，為此在電解生產(chǎn)中為保持穩(wěn)定的分子比必須定期向電解質(zhì)中補(bǔ)充氟化鋁。了.氧化鋁在電解質(zhì)中溶解度氧化鋁能溶解于冰晶石，這是構(gòu)成冰晶石-氧化鋁熔體的基礎(chǔ)，但氧化鋁的溶解度小又是該熔體的缺點(diǎn)之一。氧化鋁在冰晶石中的溶解度，一般在109左右，但是鋁電解往往還添加了各種添加劑，如41；,嫩2,〔#2,口？等，其結(jié)果是它們加入到熔體中，都存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即使得氧化鋁在冰晶石熔體中的溶解度降低。目前，大型預(yù)焙解采用低分子比，低電解溫度，低氧化鋁溶度〈29左右）和勤加工少小料的原則以確保固體氧化鋁不至沉于槽底形成爐底沉淀。1.2.3添加劑對(duì)電解質(zhì)性質(zhì)的影響在鋁電解生產(chǎn)中為了改善電解質(zhì)的性質(zhì)，有利于生產(chǎn)通常向電解質(zhì)中添加各種添加劑，以達(dá)到提高電流效率，降低能耗的目的。能滿足電解生產(chǎn)添加劑的條件為：n在電解過程中不參與電化學(xué)反應(yīng)，以免電解出其他元素而影響鋁的純度；八能夠?qū)﹄娊赓|(zhì)的性質(zhì)有所改善；〈3八對(duì)氧化鋁溶解度的影響不能太大，吸水性和揮發(fā)性要??；o來源廣泛，價(jià)格要低廉等。目前還未找到能夠同時(shí)滿足上述要求的添加劑。能夠部分滿足上述要求的添加劑有氟化鋁〈）、氟化鈣〈（八；）。氟化鎂〈贈(zèng)2）、氟化鋰〈口？）、氯化鈉（「口）。在工業(yè)上常使用的是氟化鋁、氟化鈣、氟化鎂和氟化鋰。這幾種常用添加劑都具有降低電解質(zhì)初晶溫度的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)鋁電解生產(chǎn)極為有利，但又各具有其他優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。氟化鋁的最大缺點(diǎn)是增大電解質(zhì)的揮發(fā)損失，從而惡化工人勞動(dòng)條件，在早期無煙氣集中收集和處理的自焙電解槽上不能大量使用，一般將電解質(zhì)分子比控制在2.6左右。近年發(fā)展起來的大型密閉中間下料預(yù)焙槽，電解煙氣可以集中收集和凈化，從而擴(kuò)大了氟化鋁的應(yīng)用。對(duì)于密閉型大型預(yù)焙槽，電解質(zhì)分子比一般都控制在2.6以下，有些已達(dá)到二.2左右〈氟化鋁過量近109）。氟化鈣在降低電解質(zhì)初晶溫度方面稍遜于其他幾種，但氟化鈣貨源充足（一般使用天然螢石稍做加工即可），價(jià)格低廉，故應(yīng)用十分普遍。氟化鎂也是較為理想的一種添加劑，在我國各電解鋁廠使用較多。氟化鋰因其價(jià)格昂貴，這在一定程度上使其應(yīng)用受到限制。常用的這幾種添加劑共同的缺點(diǎn)是降低氧化鋁在電解質(zhì)中的溶解度和溶解速度。生產(chǎn)中為了減少其危害，通常采用低氧化鋁濃度生產(chǎn)，使電解質(zhì)中氧化鋁濃度遠(yuǎn)未達(dá)到飽和狀態(tài)，這樣可以保證固體氧化鋁能及時(shí)溶解。生產(chǎn)中為了有效地改善電解質(zhì)的性質(zhì)，通常將幾種添加劑配合使用，控制其含量，盡量發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，避開其缺點(diǎn)，這在生產(chǎn)實(shí)踐中已收到良好效果。目前較為普遍的是將氟化鋁、氟化鈣、氟化鎂等添加劑同時(shí)使用，其總量控制在129左右，這樣可使電解質(zhì)初晶溫度降低到930冗左右，其他物理性質(zhì)也不受到明顯的惡化。將電解生產(chǎn)工作溫度控制在940950冗范圍內(nèi)，能夠獲得較好的生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。1.2.4兩極副反應(yīng)在鋁電解過程中，除了前面講的兩極主反應(yīng)外，同時(shí)在兩極上還發(fā)生著一些復(fù)雜的副反應(yīng)。這些反應(yīng)的發(fā)生以及生成速率都將直接或間接地對(duì)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)生重要影響：或降低電流效率，或增加電耗，或破壞槽子的正常運(yùn)行狀態(tài)，或?qū)﹄娊獠鄣膲勖a(chǎn)生嚴(yán)重影響，給生產(chǎn)帶來不利的影響。1.陰極副反應(yīng)(”鋁的溶解反應(yīng)金屬鋁可部分地溶解在冰晶石熔體中。當(dāng)把一塊鋁加入到清澈透明的冰晶石熔體中時(shí)，立即可發(fā)現(xiàn)霧狀的液流從鋁塊上散發(fā)出來，溶液逐漸變渾濁。在電解過程中，處于高溫狀態(tài)下的陰極鋁液和電解質(zhì)的接觸面上，必然也有析出的鋁溶解在電解質(zhì)中去。八金屬鈉的析出前已述及，在陰極的主反應(yīng)是析出鋁而不是鈉，因?yàn)殁c的析出電位比鋁的低。但是，隨著溫度升高，電解質(zhì)分子比增大，氧化鋁濃度減小，以及陰極電流密度提高，鈉與鋁的析出電位差越來越小，而有可能使鈉離子與鋁離子在陰極上一起放電，析出金屬鈉：析出的鈉少部分溶解在鋁中，剩下的一部分被陰極碳素內(nèi)襯吸收，一部分以蒸氣狀態(tài)揮發(fā)出來，在電解質(zhì)表面被空氣或陽極氣體所氧化，產(chǎn)生黃色火焰。0〉碳化鋁的生成在高溫條件下鋁可與碳發(fā)生反應(yīng)生成碳化鋁。在電解槽大修拆出陰極碳素內(nèi)襯時(shí)，常常發(fā)現(xiàn)炭縫、炭塊表面和槽底結(jié)殼中，甚至有時(shí)在固體電解質(zhì)中有碳化鋁物質(zhì)。這說明在電解過程中，鋁與碳發(fā)生了反應(yīng)。碳化鋁的生成機(jī)理目前有以下幾種認(rèn)為：其一是在高溫病槽中，電解質(zhì)中的炭渣不能很好地被分離出來，使電解質(zhì)含碳，冰晶石熔體中的鋁直接與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)其二是冰晶石熔液能夠溶解鋁表面的氧化膜，使鋁不斷向電解質(zhì)中溶解，而溶解的鋁與電解質(zhì)中的碳起反應(yīng)，生成碳化鋁。4八1〈溶解的〉十3〔二八僅其三是陰極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)生成碳化鋁。電化學(xué)反應(yīng)生成碳化鋁的解釋認(rèn)為，在鋁電解過程中，電解液趨向于對(duì)陰極碳更好地濕潤，因而有一部分電解液滲透到鋁液的下層，此時(shí)形成一個(gè)微型電解槽，其陽極是鋁液層，陰極則是炭塊。此微型電解槽與碳陽極-電解液-鋁液構(gòu)成的大電解槽串聯(lián)，鋁液成為雙極性電極，此微型電解槽的陽極反應(yīng)是鋁和鈉的電化學(xué)氧化，生成鋁和鈉的離子，而陰極反應(yīng)生成碳化鋁。2八陽極副反應(yīng)冰晶石-氧化鋁熔鹽電解陽極一次產(chǎn)物是二氧化碳?xì)怏w〈碳陽極），但是，在所有工業(yè)電解槽上對(duì)陽極氣體的測量結(jié)果均不是1009的二氧化碳，實(shí)際氣體成分為飛09~809廣02和〈509八209廣0的混合氣體。一氧化碳的產(chǎn)生一般認(rèn)為是在電解過程發(fā)生主反應(yīng)的同時(shí)，伴隨著一系列副反應(yīng)所致，主要過程為溶解于電解質(zhì)中的種種形式的鋁，被帶到陽極區(qū)間與二氧化碳接觸而被氧化。2、溶解）“1203飛的此外，由于碳陽極散落掉渣，分離后飄浮在電解質(zhì)表面，當(dāng)二氧化碳?xì)怏w與這些炭渣接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)而生成一氧化碳。在陽極副反應(yīng)中，鋁和二氧化碳的反應(yīng)是電解過程中降低電流效率的主要方式，因此，生產(chǎn)中應(yīng)盡量控制這類不利反應(yīng)的發(fā)生。1.1.5陽極效應(yīng)陽極效應(yīng)是熔鹽電解時(shí)發(fā)生在陽極上的一種特殊現(xiàn)象。鋁電解過程中，當(dāng)其電流密度達(dá)到一定值后（稱為臨界電流密度），槽電壓驟升，可從幾伏，增至幾十伏，陽極附近出現(xiàn)電弧光和劈啪聲，這一現(xiàn)象稱為陽極效應(yīng)。在陽極效應(yīng)發(fā)生期間，陽極氣體成分發(fā)生了明顯的變化，一氧化碳?xì)怏w上升到609左右，二氧化碳?xì)怏w下降到209左右，另有209左右的四氟化碳（（:八）氣體。四氟化碳?xì)怏w的出現(xiàn)，標(biāo)志著陽極上出現(xiàn)了氟離子放電。實(shí)踐證明，陽極效應(yīng)的發(fā)生，與電解質(zhì)中缺少氧化鋁有關(guān)。因?yàn)樵谄渌麠l件不變的情況下，電解質(zhì)中氧化鋁濃度降低到一定程度，就會(huì)發(fā)生陽極效應(yīng)。發(fā)生陽極效應(yīng)時(shí)的氧化鋁濃度大小與陽極電流密度有關(guān)。陽極電流密度大，陽極效應(yīng)在氧化鋁濃度較高時(shí)到來；陽極電流密度小時(shí)，則在氧化鋁濃度較低時(shí)到來，我們把效應(yīng)到來前的陽極電流密度稱之為“臨界電流密度”。若陽極電流密度達(dá)到或高于臨界電流密度時(shí)，陽極效應(yīng)就發(fā)生，反之，則不發(fā)生。臨界電流密度與許多因素有關(guān)，如熔鹽性質(zhì)、溫度、添加劑以及氧化鋁的含量等。在工業(yè)鋁電解生產(chǎn)中，除“20八濃度變化較大之外，其他因素變化極小。陽極效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理，眾說紛紜。由于陽極效應(yīng)發(fā)生在陽極-氣體-電解質(zhì)三相界面上在研究和解釋其機(jī)理時(shí)大多從這三相本身的變化以及相互間關(guān)系的變化上進(jìn)行討論。1.濕潤性理論

該理論認(rèn)為發(fā)生陽極效應(yīng)是由于電解質(zhì)對(duì)陽極的濕潤性改變所致。熔融電解質(zhì)對(duì)陽極表面的潤濕情況，與氣泡在陽極表面的滯留狀態(tài)密切相關(guān)，當(dāng)電解液內(nèi)氧化鋁濃度高時(shí)，電解液對(duì)陽極的濕潤性很好，在氧化鋁含量較高時(shí)，電解質(zhì)能較好地濕潤陽極，此時(shí)析出的陽極氣體以小氣泡形態(tài)就被電解質(zhì)排擠出陽極底掌。而當(dāng)電解質(zhì)中氧化鋁含量降低到一定濃度后，由于電解質(zhì)在碳陽極上的界面張力增大，此時(shí)電解質(zhì)不能很好地濕潤陽極，陽極上的氣泡不易被排開，而在陽極底掌上匯集，見圖1-八（一，最終在陽極底掌下形成氣體薄膜，迫使電流擊穿氣膜，產(chǎn)生火花放電，由于氣膜電阻的存在，導(dǎo)致槽電壓升高。電解質(zhì)沸騰停止，從而發(fā)生陽極效應(yīng)。圖1-2發(fā)生陽極效應(yīng)時(shí)濕潤性與氣泡的變化在發(fā)生陽極效應(yīng)時(shí)，向電解質(zhì)中添加氧化鋁，電解質(zhì)對(duì)陽極的濕潤性重新變好，于是氣體被電解質(zhì)擠開使陽極氣膜遭到破壞，效應(yīng)熄滅，即可恢復(fù)到正常電解過程，如圖1-"）所示。2八氟離子放電理論這種理論則認(rèn)為陽極效應(yīng)是由于陽極過程發(fā)生了改變，即氟離子放電所為。該理論的依據(jù)是陽極效應(yīng)發(fā)生前和發(fā)生中陽極氣體中除了二氧化碳和一氧化碳之外，還含有四氟化碳?xì)怏w。在臨近陽極效應(yīng)時(shí)，陽極氣體中含有少量四氟化碳⑴.49~29\而效應(yīng)發(fā)生時(shí)，四氟化碳?xì)怏w含量上升到159~359。此時(shí)，在氧化鋁濃度高時(shí)，電解質(zhì)中鋁氧氟離子中氧離子的比例較大，此時(shí)陽極上理應(yīng)氧離子放電，但在氧化鋁濃度很低時(shí)〈29以下），氟離子比例增大，這給氟離子與氧離子共同放電創(chuàng)造了條件，當(dāng)這兩種離子一起在陽極上放電時(shí)，陽極過程更加遲滯，陽極從活化狀態(tài)轉(zhuǎn)向鈍化狀態(tài)，陽極氣體開始大量積聚在陽極上，將電解質(zhì)與陽極隔開，于是效應(yīng)發(fā)生。3八靜電引力理論該理論認(rèn)為發(fā)生陽極效應(yīng)是由于陽極-氣體之間的靜電引力所引起。在含氧化合物的電解質(zhì)里氣泡帶正電荷，氣泡能從陽極上排出，當(dāng)電解質(zhì)里氧化物缺乏時(shí)，氣泡就帶負(fù)電荷于是被陽極吸引住，引起效應(yīng)發(fā)生。4八綜合理論這種理論實(shí)質(zhì)上是濕潤與氟離子放電兩種理論的綜合，即認(rèn)為發(fā)生陽極效應(yīng)一方面是由于電解質(zhì)對(duì)陽極的濕潤性變化，另一方面又是由于氟離子放電而改變了陽極氣體組成，或者改變了碳陽極的表面性質(zhì)，從而使電解質(zhì)對(duì)陽極的濕潤性驟然惡化，于是發(fā)生了陽極效應(yīng)。綜上所述，發(fā)生陽極效應(yīng)的共同特點(diǎn)是，電解質(zhì)中氧化鋁濃度降低，在工業(yè)鋁電解槽上，當(dāng)在正常狀態(tài)并在適當(dāng)?shù)偷臏囟认码娊鈺r(shí)，陽極效應(yīng)趨向于較低的氧化鋁濃度⑶.591.070發(fā)生，當(dāng)電解質(zhì)溫度過低時(shí)，效應(yīng)可在29左右濃度下發(fā)生，若電解質(zhì)過熱時(shí)，則不發(fā)生陽極效應(yīng)。當(dāng)陽極氣體大量積聚在陽極上時(shí)，電流被迫從氣膜層穿過而引起氣體離子化，便產(chǎn)生許多細(xì)小的電弧光，形成陽極表面的弧光閃閃爍爍。所以，在工業(yè)電解槽上，為了熄滅陽極效應(yīng)，通常采用先向槽內(nèi)添加氧化鋁，以恢復(fù)正常電解的氧化鋁濃度，然后使陰、陽極局部短路，使網(wǎng)狀氣膜遭到破壞，電流得以正常通過，效應(yīng)便告熄滅。思考題：1.鋁電解的基本原理是什么？2八電解質(zhì)的主要性質(zhì)有哪些？3八應(yīng)用電解生產(chǎn)的添加劑應(yīng)滿足哪些條件？4八兩極副反應(yīng)有哪些？5八陽極效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理學(xué)說有哪些？仃陽極效*章特錯(cuò)重解生產(chǎn)概況21電解生產(chǎn)工藝流程現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)，普遍采用冰晶石-氧化鋁焙鹽電解法。以碳素材料作為陽極，鋁液作為陰極，經(jīng)整流車間出來的強(qiáng)大的直流電流由陽極導(dǎo)人，經(jīng)過電解質(zhì)與鋁液層，由陰極導(dǎo)出，在電解槽內(nèi)的兩極上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，陽極產(chǎn)物主要是二氧化碳和一氧化碳?xì)怏w，但其中含有一定量的氟化氫〈等有害氣體和固體粉塵。對(duì)陽極氣體進(jìn)行凈化處理，除去有害氣體和粉塵后，排人大氣中，回收的氟化物（主要是冰晶石）返回電解槽。陰極產(chǎn)物是鋁液，隨著電解的不斷進(jìn)行，鋁液通過真空抬包周期性地從槽內(nèi)抽出，送往鑄造車間經(jīng)凈化澄清之后，澆注成鋁錠，或直接加工成線坯、型材等。其生產(chǎn)工藝流程如圖2-1所示。2.2電解所用原材料2.2.1主原料一一氧化鋁氧化鋁俗稱鋁氧粉，分子式八20”它是一種白色粉末狀物料，熔點(diǎn)為2050冗，沸點(diǎn)為3000冗，真密度為3.5-3.6假密度約為1.0。它的流動(dòng)性很好，不溶于水，能溶于冰晶石焙體中，它是鋁電解生產(chǎn)中的主要原料。工業(yè)用氧化鋁是由氧化鋁廠從鋁礦石中提取出來的。鋁電解對(duì)于氧化鋁質(zhì)量的要求，主要是考核它的化學(xué)純度和物理性能。1.化學(xué)純度對(duì)氧化鋁質(zhì)量的要求首先是化學(xué)純度要高，雜質(zhì)含量和水分要低。因?yàn)檠趸X中那些電位比鋁離子更正電性的元素的氧化物，如？力：彳二氧化硅〉，碎炭塊鋁導(dǎo)桿鋼送碳素廠W中財(cái)爐—磷生誤軋制或擠壓！八一鋁錠-—破碎型材T1碎炭塊鋁導(dǎo)桿鋼送碳素廠軋制或擠壓！八一鋁錠-—破碎型材轆戀甲生膜\:祜匚理：撰；.，；心］51g"2-1鋁電解生產(chǎn)工藝流程圖&：0“氧化鐵〉，在電解過程中會(huì)被鋁還原，或者優(yōu)先于鋁離子在陰極析出，析出的硅、鐵進(jìn)入鋁內(nèi)，降低鋁的質(zhì)量；而那些電位負(fù)于鋁元素的氧化物，如八20、〔“氧化鈣〉會(huì)分解冰晶石，使電解質(zhì)成分改變，并增加氟化鹽消耗。氧化鋁中的水分同樣會(huì)分解冰晶石造成損失，并增加鋁中的含氫量，逸出大量的氟化氫，污染環(huán)境。？20”的”1102等雜質(zhì)，則降低電流效率。我國生產(chǎn)的氧化鋁，按化學(xué)純度分級(jí)如表2-1。表2-1我國氧化鋁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)牌號(hào)化學(xué)成分（八）八1203含量（不少于）雜質(zhì)含量（不大于）8102；03燦20灼減_級(jí)八0-198.60.020.020八501.0二級(jí)八0-298.40.040八030八601.0三級(jí)八0-398.30.060.040八651.0四級(jí)八0-498.20八080.050八701.0世界各國對(duì)氧化鋁的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求各不相同，很多國家除了對(duì)硅、鐵、鈉和灼減（水分）有要求外，還對(duì)礬、磷、鋅、鈦、鈣等微量雜質(zhì)含量做了規(guī)定，表2-2是國外一些廠家的氧化鋁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。表2-2國外廠家的氧化鋁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分（八）8102；03!!02O(&0灼減美國鋁業(yè)公司0八020八020.0040八550.040.6澳大利亞公司0.0180.0150.020八300.020.6法國公司0八0320八0210八00330八470八0420.82八物理性能氧化鋁的物理性能對(duì)于保證電解過程的正常進(jìn)行具有重要作用。通常要求氧化鋁具有吸水性小，活性大，粒度適宜，在電解質(zhì)中溶解性好等，同時(shí)要求加料時(shí)飛揚(yáng)損失小，能夠嚴(yán)密地覆蓋陽極，以防止陽極暴露于空氣中被氧化，保溫性能要好。在氣體凈化中有較好的活性，足夠大的比表面積，能有效地吸收只？氣體，這些物理性質(zhì)主要取決于氧化鋁的晶型、粒度和形狀。按照氧化鋁物理性能的不同，一般分為三類：砂狀，中間狀，粉狀。我國現(xiàn)行生產(chǎn)的氧化鋁細(xì)粒比例大，中間狀、粉狀氧化鋁居多?，F(xiàn)代鋁工業(yè)中，砂狀氧化鋁由于具有流動(dòng)性好，溶解快，對(duì)氣體吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，使得工廠多采用砂狀氧化鋁。氧化鋁粒度大小與組成和氧化鋁生產(chǎn)工藝和條件有關(guān)，主要取決于氫氧化鋁分解和焙燒條件，砂狀氧化鋁中“-八103小于309，7-\03較多，其晶體表面疏松，比表面大活性強(qiáng)，電解溶解速度較快，粉狀氧化鋁中。-人120；為809~959，“-人1203較多，中間狀氧化鋁介于兩者之間?！?在生產(chǎn)實(shí)際中，由于不同的需求對(duì)氧化鋁的物理性能的要求有時(shí)是一致的，有時(shí)又是相悖的，如為便于輸送和防止氧化鋁沉淀，要求氧化鋁的安息角小，這樣流動(dòng)性好，利于輸送，且在下料時(shí)能迅速散開，快速溶解于電解質(zhì)中。而從陽極保溫的角度看，又要求氧化鋁的安息角大，使氧化鋁易于堆積一定的厚度，便于保溫。各種氧化鋁各有優(yōu)缺點(diǎn)，表2-3為這三種氧化鋁的物理指標(biāo)。實(shí)際生產(chǎn)中，以兼顧氧化鋁的溶解性和凈化反應(yīng)為主。表2-3=珈氧化鋁類型的特性』積粒度組成物性類型'平均粒度（!*粒度分布安息角比表面積真比重容重（"/!）"-“0質(zhì)量分?jǐn)?shù)〖‘砂狀氧化鋁中間狀氧化鋁粉狀氧化鋁80~10050~8050《1212~2020~5025”~30?！?5。〉40?！?5〉352~10"3.9〉0"85〉0"85彳各7525~3540~5080~95質(zhì)量分?jǐn)?shù)即為原來的重量百分?jǐn)?shù)，以下同。副原料鋁電解生產(chǎn)所用的熔劑主要是冰晶石和氟化鋁，還有一些添加劑，如氟化鈣、氟化鎂、氟化鈉、氟化鋰等。1.冰晶石冰晶石有天然和人造兩種，天然冰晶石儲(chǔ)量極少，現(xiàn)代生產(chǎn)用的冰晶石絕大多數(shù)為人工合成制取的。天然冰晶石是一種無色或白色晶體，密度為2.958八“，硬度為2.5，熔點(diǎn)為1010冗。人造冰晶石實(shí)際上是正冰晶石。與亞冰晶石（??的混合物，其分子比為2.1左右，呈酸性、白色粉末、略粘手微溶于水。鋁電解用冰晶石的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)列于表2-4。冰晶石作為一種溶劑，理論上不消耗，在實(shí)際生產(chǎn)中由于揮發(fā)損失，碳素材料的吸附和機(jī)械損失等原因，使得冰晶石在生產(chǎn)中有一定的損失量。表2-4人造冰晶石的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):級(jí)別化學(xué)成分于90（不小化學(xué)成分（不大于"）”8102?6。32804&0?205氏0灼減550尤3011111特級(jí)53133200250.050.7001000020.42.5_級(jí)531332003600081.2(!.1500030.53.0二極531332004000101.3002000030.83.02"氟化鋁氟化鋁是一種白色的細(xì)微粉末，顆粒比氧化鋁稍大，流動(dòng)性次之。它作為一種添加劑，既可以補(bǔ)充電解質(zhì)中氟化鋁的損失，又可以調(diào)整電解質(zhì)的分子比，降低電解溫度使分子比保持在一定范圍，以保證生產(chǎn)技術(shù)條件的穩(wěn)定。氟化鋁在電解槽中消耗最大，主要是揮發(fā)和飛揚(yáng)損失，故要經(jīng)常向電解槽中補(bǔ)充，但在添加時(shí)，應(yīng)注意添加方法。鋁電解對(duì)氟化鋁的質(zhì)量要求如表2-5所示。表2-5氟化鋁的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如下化學(xué)成分（八）級(jí)別（不小于）雜質(zhì)（不大于）八18102？62。3804?205只2050尤，1特一級(jí)61300.50八280八100.50.040.5特二級(jí)60300.50八300八130.80.041.0特三極5828.23.00八300八131.10.046.03‘氟化鈣氟化鈣又稱“螢石”，是電解質(zhì)的成分之一，其作用主要是對(duì)爐幫的形成有好處，即可以使?fàn)t幫比較堅(jiān)固，同時(shí)降低電解質(zhì)的初晶溫度。生產(chǎn)過程中氟化鈣的含量要隨電解質(zhì)的損失而減少，由于電解質(zhì)中少量的氧化鈣與氟化鋁反應(yīng)可生成氟化鈣，所以平時(shí)并不經(jīng)常添加氟化鈣。氟化鈣只是在新槽啟動(dòng)時(shí)加入。廠氟化鎂氟化鎂可以改善電解質(zhì)的性質(zhì)，降低電解質(zhì)溫度，減小電解質(zhì)對(duì)炭電極的濕潤性，有利于炭渣和電解質(zhì)的分離，并減小電解質(zhì)向炭電極內(nèi)部的滲透，它的使用對(duì)鋁的質(zhì)量稍有影響。5八氟化鈉氟化鈉是一種白色的細(xì)微粉末，易溶于水，作為一種電解質(zhì)的添加劑，在裝新槽料和啟動(dòng)初期時(shí)，主要添加氟化鈉以提高電解質(zhì)的分子比。有些工廠用經(jīng)濟(jì)的碳酸鈉代替氟化鈉，這是因?yàn)樘妓徕c在高溫下分解生成氧化鈉，氧化鈉與冰晶石反應(yīng)生成氟化鈉，起到提高分子比的作用。W旦高/皿3匚0八12“+\036八氟化鋰2氟化鋰的添加，可以降低電解質(zhì)的初晶溫度，提高電解質(zhì)的導(dǎo)電率，減小電解質(zhì)的密度，使電解質(zhì)在較低的溫度下進(jìn)行。因此能夠提高生產(chǎn)率，降低鋁的能量消耗。所有添加劑都能使電解質(zhì)的初晶溫度降低，在含量相同的情況下，鋰鹽最為明顯。但因其價(jià)格比較昂貴，在生產(chǎn)中沒有得到大量應(yīng)用。2八2"3陽極材料鋁電解生產(chǎn)是采用高溫并具有很大腐蝕性的冰晶石-氧化鋁熔鹽電解，作為陰、陽兩極的導(dǎo)電材料，目前能夠抵御這種侵蝕性，并且價(jià)格低而又能良好導(dǎo)電的，惟有碳素制品，因此，鋁工業(yè)上均采用碳素電極：炭陰極和炭陽極。在電解過程中，炭陰極原則上不消耗，只破損；炭陽極則由于直接參與電化學(xué)反應(yīng)而不斷被消耗。鋁電解生產(chǎn)中陽極材料依據(jù)槽型不同而不同，自焙陽極電解槽使用的是陽極糊，而預(yù)焙陽極電解槽使用的是預(yù)焙陽極炭塊，其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表2-6。表2-6預(yù)焙陽極炭塊質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)\灰分電阻率’,熱膨脹率-抗壓強(qiáng)度體積密度真密度指標(biāo)X⑴瓜)〈?。?！瓜2〉八01113〉八01113〉級(jí)別'不大于不小于0050550045321.502.001"-20080600050301.502.001"-31.00650055291.482.00在大型預(yù)焙槽鋁電解生產(chǎn)中，陽極炭塊不僅承擔(dān)著導(dǎo)電的作用，而且還參與電化學(xué)反應(yīng)。陽極炭塊質(zhì)量的好壞，直接影響到鋁電解的正常生產(chǎn)操作，陽極的消耗，原鋁的質(zhì)量和電流效率等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此，對(duì)陽極炭塊要求很嚴(yán)格，在化學(xué)成分上要求陽極炭塊中雜質(zhì)含量少，如鐵、硅、礬、硫等氧化物含量不僅影響炭陽極的理化指標(biāo)，還會(huì)在電解過程中進(jìn)入鋁液中而影響鋁質(zhì)量。除此之夕卜，還要求陽極灰分少，灰分中的雜質(zhì)少，密度大，比電阻低，氣孔率低，抗熱沖擊性能好，抗壓強(qiáng)度高，抗氧化性能好和具有較小的掉渣率。外觀上要求如下：(!成品表面粘結(jié)的填充料要清理干凈；0〉成品表面的氧化面積不得大于該表面面積的209，深度不得超過5爪爪，無爆凸、彎曲；0成品掉棱角不大于100"01X100!'，掉棱長度不得大于300!"!，深度不大于6000，且不多于兩處。

（斗）孔邊裂紋長度不大于8000,孔與孔之間不能有連通裂紋。0大面裂紋不大于200，數(shù)量不能超過3處。在電解生產(chǎn)中，由于陽極炭塊因受熱不同而產(chǎn)生的形變不同，這就要求陽極炭塊具有一定的抗張強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度和較大的熱膨脹率。如陽極鋼爪受熱膨脹，就要求炭塊也有一定的熱膨脹，以抵消鋼爪的熱膨脹應(yīng)力，避免炭塊發(fā)生斷裂。陽極炭塊底部受熱，引起底面膨脹彎曲，產(chǎn)生斷裂。這就要求陽極炭塊具有較高的抗彎強(qiáng)度。1111111111111111廠的車間組成、31111111111111111廠的車間組成、3鋁電解2.3.1全廠車間概況整個(gè)電解鋁廠由生產(chǎn)車間，輔助生產(chǎn)車間和行政福利設(shè)施組成。生產(chǎn)車間主要包括電解車間，鑄造車間、整流所、空壓站、計(jì)算機(jī)站、煙氣凈化系統(tǒng)及供料站。輔助生產(chǎn)車間包括陽極組裝車間、檢修車間、化驗(yàn)中心、綜合倉庫等。行政福利設(shè)施包括綜合辦公樓、生產(chǎn)辦公樓、食堂、職工宿舍等。鋁電解車間是鋁廠組織生產(chǎn)金屬鋁水或商品鋁錠的重要生產(chǎn)單位，以此為中心形成若干相關(guān)車間。電解鋁廠的管理部門是各個(gè)車間組織和指揮生產(chǎn)調(diào)度的中心，它是協(xié)調(diào)上述車間通力合作，保證電解生產(chǎn)的動(dòng)力供應(yīng)、原材料的供應(yīng)，物料流的均衡穩(wěn)定以及設(shè)備的正常維護(hù)和運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。陽極車間負(fù)責(zé)向電解供給質(zhì)量合格的陽極塊，負(fù)責(zé)回收電解產(chǎn)生的殘極和電解質(zhì)塊。鑄造車間定時(shí)取走電解產(chǎn)出的原鋁。化驗(yàn)室承擔(dān)電解原鋁和電解質(zhì)成分的分析并及時(shí)發(fā)出報(bào)告。槽子大修車間擔(dān)負(fù)破損電解槽的大修等作業(yè)。2.3.2電力供應(yīng)與整流在鋁電解生產(chǎn)中，需要穩(wěn)定而又可靠的電源，以保證電解系列能夠連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行生產(chǎn)。由發(fā)電廠輸出的高壓交流電，經(jīng)外架線輸人到電解鋁廠變電站，經(jīng)三相主變壓器降壓后，送至整流器前的變壓器，經(jīng)整流器整流后使之變成能用于電解生產(chǎn)的低壓直流電，供給電解系列。電解鋁廠屬于一級(jí)負(fù)荷，對(duì)供電的可靠性要求很高，對(duì)硅整流所應(yīng)不少于兩個(gè)獨(dú)立電源供電，以保證在設(shè)備檢修或突發(fā)故障時(shí)，整個(gè)系列的正常生產(chǎn)。高壓交流電變壓整流的基本流程是電網(wǎng)供給工廠的電能為外線高壓交流電110"或220"的高壓交流電，高壓交流電通過戶外開關(guān)引入降壓變壓器，將高壓電降至所需的低壓交流電。降壓后的低壓交流電便可進(jìn)入整流器進(jìn)行整流。整流過程即為將電流和電壓隨時(shí)間不斷變化方向的交流電變成方向一致的直流電。現(xiàn)在普遍采用硅二極管和可控硅整流器，它具有體積小，整流效率高的優(yōu)點(diǎn)，其整流效率一般在989左右，可以高效率地將交流電轉(zhuǎn)變成直流電。在變壓整流過程中，各種開關(guān)、變壓器等的接入，使電路中串聯(lián)或并串有電感、電容線路，引起交流電的電壓和電流波形不一致，即相差一個(gè)相位角，降低了交流電的功率因素。為了消除線路中的無功功率，通常在交流端再并入或串入與線路本身方向相反的電容或電感，使電流和電壓波形一致，通常稱為功率補(bǔ)償器，來提高交流電的有功功率。整流所負(fù)責(zé)向電解提供平穩(wěn)的直流電，通過整流后的直流電可直接送入電解槽上用于鋁電解生產(chǎn)。2.3.3電解車間電解車間是整個(gè)電解廠的核心車間，是全廠的生產(chǎn)中心，它通常由若干電解廠房、計(jì)算機(jī)站，空壓站和干法凈化回收站及供料庫組成。1.計(jì)算機(jī)站大型預(yù)焙槽的生產(chǎn)過程都采用計(jì)算機(jī)控制。因此，在電解車間的中心或相鄰部位設(shè)置計(jì)算機(jī)室。在集中解析、集中控制的系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)承擔(dān)數(shù)據(jù)采集、分析、發(fā)出控制命令和警報(bào)，負(fù)責(zé)必要的數(shù)據(jù)和適應(yīng)現(xiàn)場要求的手動(dòng)輸入，編制必要的作業(yè)計(jì)劃和為現(xiàn)場提供各類狀態(tài)報(bào)表與累積報(bào)表。計(jì)算機(jī)室是電解系列的控制中心和信息中心，是車間信息管理中樞。它是電解車間的一個(gè)必不可少的設(shè)置。2八空壓站壓縮空氣站的主要任務(wù)是為電解生產(chǎn)所需的壓縮空氣提供合格的壓力負(fù)荷。壓縮空氣主要用于電解槽打殼，出鋁，電解槽大修，氧化鋁輸送等。空氣經(jīng)過濾器過濾空氣中的灰分后進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)二級(jí)壓縮后排至儲(chǔ)氣罐，經(jīng)儲(chǔ)氣罐匯入壓縮空氣母管，再經(jīng)除油過濾器和冷凍干燥器，將合格的壓縮空氣送至各用戶。3人干法凈化及供料站為了吸附、回收煙氣中的氟化氫而設(shè)置干法凈化站。向凈化工段提供吸附氟所用的八20；和向電解槽提供電解用物料，要設(shè)置專門的八20；供料系統(tǒng)。由于兩者工藝上密不可分，因此兩者的設(shè)備和管路常常交錯(cuò)式配置在一起。在短廠房系列，凈化供料站設(shè)在廠房的端部，與整流車間相對(duì)。在長廠房系列，為了避免煙氣總管過長，氧化鋁及氟化鹽倉庫供料站往往設(shè)在兩列廠房之間的空地上。大型預(yù)焙槽氧化鋁的輸送多采用超濃相輸送技術(shù)輸送物料。具體來說，在風(fēng)機(jī)的作用下，槽上料箱和溜槽始終充滿著物料，積蓄著一定的勢能，當(dāng)下料器下料時(shí)，槽上料箱空出一部分空間，蓄積的勢能就會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能去填補(bǔ)空缺，從而形成槽上料箱的一連串填補(bǔ)空缺運(yùn)動(dòng)，直至填滿為止。整個(gè)過程不需控制即可自動(dòng)完成。此外，供料系統(tǒng)在（短廠房）廠房端頭或（長廠房）廠房中部多處設(shè)有天車受料口，方便天車為料箱加料。"電解廠房鋁廠的規(guī)模大小與電解槽的系列有一定的關(guān)系，而電解廠房的長短應(yīng)根據(jù)工廠廠區(qū)條件、系列槽數(shù)來決定。電解廠房多采用二層抬高樓房，下部有利于通風(fēng)散熱，上部工作面，是鋪有瀝青沙漿的絕緣地坪，地下有通風(fēng)溝，母線溝。廠房中部和端頭留有通道（短廠房3個(gè)；長廠房5個(gè)），便于工藝車通行。端頭槽到廠房端頭的長度可滿足兩臺(tái)天車停放和并車吊起槽上部結(jié)構(gòu)和設(shè)立天車檢修跨?？抗┝险疽粋?cè)的廠房側(cè)墻處設(shè)有天車加料口?？績艋鳠煿芤粋?cè)的廠房頂部設(shè)有天窗。天窗和工作面上的蓖形格板、側(cè)窗形成自然通鳳。大型預(yù)焙槽子多采取橫向排列，電解槽支煙管一側(cè)（簡稱煙道端）是狹窄通道，墻側(cè)安置有槽控箱，每槽一臺(tái)。槽控箱裝有顯示槽電壓的的電壓表，槽支煙管穿墻進(jìn)入煙氣總管。槽出鋁小面一側(cè)（簡稱出鋁端）為寬闊通道，是天車行走、出鋁作業(yè)、運(yùn)輸和擺放陽極、殘極的場地。5人槽排列和母線系統(tǒng)每個(gè)鋁廠都是很多電解槽串聯(lián)起來構(gòu)成一個(gè)電解槽系列，它是鋁生產(chǎn)的基本單元，大型鋁廠一般都擁有兩個(gè)或兩個(gè)以上的系列，每一系列都有額定的電流強(qiáng)度和產(chǎn)能。大型電解槽系列，其電流強(qiáng)度為150300直流電壓900~1200V，電解槽200臺(tái)左右，年生產(chǎn)能力可達(dá)7~10萬噸，有的達(dá)20萬噸。每個(gè)電解廠房電解槽的數(shù)量要取決于這個(gè)車間的產(chǎn)能，槽子排列方式以及槽型，電流大小，廠房結(jié)構(gòu)，操作方法等因素，同時(shí)還受到地理位置，交通運(yùn)輸?shù)葪l件的影響。近幾年來，還要考慮環(huán)境保護(hù)和自動(dòng)控制等方面的因素。就一個(gè)電解系列來講不管電解槽的數(shù)量有多少，就它們的排列方式來講只有縱向和橫向兩種，而每一種排列又可分為單行和雙行以及多行排列。以往的自焙槽和小型預(yù)焙槽多采用雙排縱向單端進(jìn)電排列方式?，F(xiàn)代新建大型預(yù)焙槽通常采用單排橫向雙端或一側(cè)面多點(diǎn)進(jìn)電排列方式，以便縮小廠房的長度，有利于節(jié)能和組織生產(chǎn)。系列中的電解槽均是串聯(lián)的，直流電從整流的正極經(jīng)地溝鋁母線，立柱鋁母線，陽極大母線后，進(jìn)入第一臺(tái)電解槽的陽極，然后經(jīng)過電解質(zhì)、鋁液到炭陰極，而后再通過陰極母線導(dǎo)入第二臺(tái)電解槽的陽極母線……這樣依次類推，從最后一臺(tái)電解槽的陰極出來的電流又經(jīng)大母線回到整流器的負(fù)極，使整個(gè)系列成為一個(gè)封閉的串聯(lián)線路。直流母線將分布在各廠房的所有電解槽串聯(lián)起來并與整流所的輸入、輸出端相接。系列回路中，除包括在槽子電壓表測量范圍內(nèi)的母線外，尚有一部分母線。這些母線是用來連接廠房與廠房、通道與通道、端部槽與整流所的，稱為連接母線，亦稱公用母線。生產(chǎn)期間計(jì)算平均電壓時(shí)，連接母線的電壓降要分?jǐn)偟矫總€(gè)槽。新系列啟動(dòng)時(shí)，電解槽不可能一次通電，而往往是分批通電啟動(dòng)的。這就需要在系列母線系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置若干短路口。短路口的作用是當(dāng)電解槽正常生產(chǎn)時(shí)，將其斷開，使電流必須通過電解槽進(jìn)入下臺(tái)槽，當(dāng)電解槽沒有生產(chǎn)或需要停槽時(shí)將其短路使電流直接進(jìn)入下臺(tái)槽。同時(shí)，在電解廠房中配置的回路中都設(shè)置有若干個(gè)系列短路母線，視生產(chǎn)槽的多少，生產(chǎn)槽的分布區(qū)域而切合若干相應(yīng)的短路母線以適應(yīng)焙燒啟動(dòng)生產(chǎn)的要求。一般短路母線都設(shè)置在廠房間的過道口。6八通風(fēng)與排煙鋁電解生產(chǎn)中散發(fā)出來的污染物有氣態(tài)和固態(tài)兩種。氣態(tài)物質(zhì)的主要成分有氟化氫、一氧化碳、二氧化碳、瀝青煙等。固態(tài)物質(zhì)主要有氧化鋁、冰晶石和炭粒。這些污染物對(duì)人體和動(dòng)植物都是非常有害的。為了改善勞動(dòng)條件，保護(hù)環(huán)境，對(duì)這些污染必須采取凈化措施。我國鋁廠凈化環(huán)境的主要手段是加強(qiáng)廠房的通風(fēng)和排煙，然后在此基礎(chǔ)上裝置一定形式的回收設(shè)施。所收集的廢料直接或經(jīng)過加工還可用在生產(chǎn)上。(”通風(fēng)生產(chǎn)廠房的通風(fēng)，一般采用自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩種或兩種兼用。自然通風(fēng)是利用室內(nèi)外的溫度差產(chǎn)生空氣對(duì)流來實(shí)現(xiàn)的，為了達(dá)到和強(qiáng)化自然通風(fēng)一般在廠房兩側(cè)墻壁的下方設(shè)有百葉窗，中部設(shè)有側(cè)窗，廠房頂部裝有天窗。天窗旁設(shè)有擋風(fēng)板，這樣室外冷的新鮮空氣通過下面的百葉窗進(jìn)入電解廠房后，經(jīng)電解槽操作地帶，然后帶有污染物的熱氣上升經(jīng)側(cè)窗或天窗排出到大氣?，F(xiàn)在的二層樓式的廠房，外部冷空氣通過一樓窗口進(jìn)入，經(jīng)電解槽的槽殼底部和側(cè)部被加熱，而后通過第二層地溝蓋板由天窗排出。0〉排煙排煙與通風(fēng)一樣，是凈化勞動(dòng)環(huán)境的主要措施，只有把這兩項(xiàng)結(jié)合起來，才能達(dá)到凈化環(huán)境的效果。要較好地實(shí)現(xiàn)廠房排煙，首要的是要搞好電解槽的密閉和集氣工作，只有把煙氣有效的集中起來，才有可能輸送出去。大型預(yù)焙槽采用槽蓋板和集氣罩，煙塵通過管道輸送到凈化站，經(jīng)凈化回收處理后，通過大型排煙機(jī)經(jīng)煙囪排放高空。1.公用系統(tǒng)車間動(dòng)力設(shè)備由專為電解車間服務(wù)的配電所供電。電解車間的電力負(fù)荷為一級(jí)負(fù)荷，采用雙回路，出線380乂和220V。一旦該配電所出現(xiàn)故障，只需合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)就可由其他配電所繼續(xù)供電。廠房內(nèi)兩側(cè)都裝有壓縮空氣管道，由工廠公用空壓站供風(fēng)，供出鋁、抬母線、短路口及廠房清掃等用。工作面下若干槽設(shè)一組壓縮空氣除水罐。此外，在每棟廠房的中部或每個(gè)作業(yè)區(qū)的端頭裝有效應(yīng)警報(bào)器。當(dāng)某作業(yè)區(qū)的電解槽發(fā)生效應(yīng)時(shí)，該區(qū)的警報(bào)器發(fā)出聲光信號(hào)或語音提示等。電解車間配有各類工藝車，用以溝通陽極車間、鑄造車間及氟化鹽倉庫等部門，保證電解生產(chǎn)過程中原料的運(yùn)入和原鋁、殘極的搬出。8人多功能天車多功能天車是大型預(yù)焙電解槽系列電解車間中惟一的，集完成預(yù)焙槽主要作業(yè)功能于一身，為人力和其他機(jī)械所不能替代的多功能的大型作業(yè)機(jī)械。根據(jù)作業(yè)量和天車性能的不同，每臺(tái)天車可為17?32臺(tái)中心下料電解槽服務(wù)。通常短廠房每棟2?3臺(tái)，長廠房每棟4?5臺(tái)，天車上安裝的主副提升系統(tǒng)、液壓扭拔系統(tǒng)，壓縮空氣及打殼系統(tǒng)，人103接受及下料系統(tǒng)，使天車可完成出鋁、提升陽極母線、更換陽極、邊部打殼下料、打撈電解質(zhì)掉塊及重物吊運(yùn)等作業(yè)。主提升系統(tǒng)的鉤頭頭上裝有液壓秤或電子秤，用于出鋁時(shí)計(jì)量。工人是在天車密閉的操作室里操作，或在駕駛室外用按鈕盒站在視線開闊的工作面上進(jìn)行操作。抬母線作業(yè)時(shí)，用天車上兩個(gè)固定位置的副鉤吊起母線提升機(jī)上槽作業(yè)。2.3.4鑄造車間由電解槽產(chǎn)出的液態(tài)原鋁，經(jīng)噴射真空抬包吸出后，用拖車送至鑄造車間，注入混合爐，按照預(yù)分析結(jié)果和稱量結(jié)果，進(jìn)行合理的調(diào)配，以調(diào)整鋁錠品位等級(jí)，滿足質(zhì)量的要求。鋁液注入混合爐后，加入造渣劑，攪拌除渣精煉后靜置一定時(shí)間，在760?780冗澆注成鋁錠，經(jīng)打捆，稱重后，運(yùn)至成品堆場。2.3.5陽極組裝車間陽極組裝車間的主要任務(wù)是將噴砂或鋼刷處理的鋁導(dǎo)桿與陽極炭塊組裝成新陽極組供電解車間使用，并將換下的殘極壓脫破碎后送至碳素廠作陽極骨料，磷生鐵返爐熔化后重新澆鑄用。殘極粘附的電解質(zhì)清理后破碎成電解質(zhì)塊，可供天車換極用。檢修車間為保證生產(chǎn)和設(shè)備的正常運(yùn)行，廠內(nèi)設(shè)置檢修車間。它主要負(fù)責(zé)機(jī)械設(shè)備的修理，零配件的制作及電解槽內(nèi)襯的拆除與砌筑，陰極鋼棒的表面清洗和陰極組裝，同時(shí)還負(fù)責(zé)電解槽上部結(jié)構(gòu)和槽殼的修理及大小母線，陽極鋼爪的修理等工作?；?yàn)中心為確保原材料及產(chǎn)品質(zhì)量，需要對(duì)原材料，半成品及產(chǎn)品進(jìn)行理化檢驗(yàn)分析，以確保生產(chǎn)的正常進(jìn)行。電解生產(chǎn)用的生產(chǎn)化驗(yàn)項(xiàng)目表見2-7。表2-7生產(chǎn)化驗(yàn)項(xiàng)目表試樣名稱采樣地點(diǎn)分析周期分析項(xiàng)目分析方法1電解質(zhì)電解槽四天一次分子比X-熒光光譜分析2鋁液預(yù)分析電解槽_天_次?6，81，匚?。」庾V儀3鋁錠成品分析鑄造每班次1-2次?6，81，匚！！光譜儀4氧化鋁袋裝每批100噸8102，?620.，只20化學(xué)5冰晶石氟化鹽庫按批量比例取?，，八，81，?620.化學(xué)6氟化鋁氟化鹽庫按批量比例取?，八1，八，81，?60化學(xué)7氟化鈉氟化鹽庫按批量比例取2^匚0，匚816，”03,?60化學(xué)23在對(duì)試樣進(jìn)行分析時(shí)，不僅要保持分析過程的均勻一致，而且還要正確的取樣和保證正確的試樣，這樣才能保證化驗(yàn)分析的準(zhǔn)確度?，F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室主要采用乂-熒光光譜儀、分光光度計(jì)等。電解部分的化驗(yàn)由光譜、晶形、化學(xué)和物理分析組成，其中光譜組負(fù)責(zé)鋁液的預(yù)分析和產(chǎn)品中的硅、鐵、銅的定量分析。晶形組負(fù)責(zé)電解質(zhì)的分子比和雜項(xiàng)的分析。化學(xué)組負(fù)責(zé)進(jìn)廠原料的檢驗(yàn)分析，如氧化鋁、氟化鹽的含量（標(biāo)樣和雜項(xiàng)）。物理組負(fù)責(zé)碳素材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率的實(shí)驗(yàn)分析。2.3.8綜合倉庫綜合倉庫是用于存放車間設(shè)備的備品備件、耐火材料、五金工具和勞保用品等。思考題：1.作出鋁電解生產(chǎn)工藝流程圖。1.電解煉鋁所用原材料主要有哪些？3八對(duì)電解煉鋁用氧化鋁有什么要求。廠對(duì)鋁電解用陽極炭塊有何要求？5”鋁電解車第三覃常電解槽的構(gòu)造3.1鋁電解槽的發(fā)展冰晶石-氧化鋁焙鹽電解煉鋁方法自1888年用于工業(yè)生產(chǎn)以來，世界上鋁工業(yè)生產(chǎn)一直沿用該法。一百余年來，隨著鋁電解的生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及能源成本的不斷上漲和環(huán)境保護(hù)要求的日趨嚴(yán)格，電解槽的結(jié)構(gòu)和容量也發(fā)生了重大變化，并不斷地向大型化自動(dòng)化發(fā)展，其中最為明顯的是陽極結(jié)構(gòu)的變化。其陽極結(jié)構(gòu)的改進(jìn)順序大致是：小型預(yù)焙陽極一側(cè)部導(dǎo)電自焙陽極一上部導(dǎo)電自焙陽極一大型不連續(xù)及連續(xù)預(yù)焙陽極一中間下料預(yù)焙陽極。3.1.1鋁電解槽的分類鋁電解槽按陽極結(jié)構(gòu)類型分為兩大類四種形式：自焙陽極電解槽：側(cè)插棒式自焙陽極電解槽，上插棒式自焙陽極電解槽。預(yù)焙陽極電解槽：不連續(xù)預(yù)焙陽極電解槽，連續(xù)預(yù)焙陽極電解槽。鋁電解槽按電流強(qiáng)度分為三大類：小型電解槽：電流強(qiáng)度80^以下；中型電解槽：電流強(qiáng)度80~160“；大型電解槽：電流強(qiáng)度160~350乂八。3.1.2鋁電解槽的發(fā)展概況電解槽的發(fā)展過程大致可分為四個(gè)階段。1.第一階段八小型預(yù)焙陽極電解槽在鋁工業(yè)初期，鋁電解采用小型預(yù)焙陽極電解槽，電流強(qiáng)度只有4000?8000人，電流由小型直流發(fā)電機(jī)供給，每晝夜每槽產(chǎn)能僅為20~40角田鋁，電流效率709左右，每公斤鋁的直流電耗率高達(dá)42&雙'八。它產(chǎn)量低，成本高，鋁價(jià)昂貴，屬于電解槽發(fā)展的第一階段。1.第二階段1則部和上部導(dǎo)電連續(xù)自焙陽極電解槽20世紀(jì)20年代至70年代。這一階段大力發(fā)展了連續(xù)自焙陽極電解槽。由于水銀整流器的出現(xiàn)和碳素生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了電解槽陽極結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。在20世紀(jì)20年代，在鋁電解槽上裝設(shè)了連續(xù)自焙陽極，陽極棒采用旁插棒式或上插棒式。使得陽極可以連續(xù)使用，無須預(yù)制，無殘極，并可進(jìn)行煙氣凈化操作，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)大為改善。經(jīng)過不斷改進(jìn)和完善，到70年代末80年代初，電流強(qiáng)度由25“發(fā)展到155“，電流效率達(dá)到899?929，每公斤鋁的電耗降到14?17欣‘、自焙陽極側(cè)插棒式電解槽最有代表性的是美國？吣鋁廠，電流強(qiáng)度達(dá)到140、、自焙陽極上插棒式電解槽，最有代表性的是美國鋁業(yè)公司的？鋁廠，電流強(qiáng)度達(dá)到170八“，而我國的青銅峽鋁廠二期采用的上插棒式電解槽，電流強(qiáng)度只有105“。自焙陽極旁插和上插棒式電解槽的結(jié)鉤簡圖如圖3-1、圖3-2。

圖3-1自焙陽極旁插棒式電解槽1一槽底磚內(nèi)襯2一邊部炭塊3一槽殼4一邊部伸腿5一氧化鋁下料器6一陽極棒7—陽極8—集氣罩9一氧化鋁殼10—電解液11一鋁液12一陰極鋼棒13一陰極炭塊但是，自焙陽極電解槽存在著較大的缺點(diǎn)：陽極糊在槽上焙燒時(shí)散發(fā)出的大量含瀝青煙氣，使勞動(dòng)條件惡化；陽極操作復(fù)雜笨重，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，不利于高度機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)等。3|第三階段八大型邊部加工預(yù)焙陽極電解槽在自焙陽極電解槽發(fā)展的同時(shí)，碳素工業(yè)發(fā)展也很迅速，能夠制造出高質(zhì)量的大型預(yù)焙炭塊。在20世紀(jì)50年代至70年代，又對(duì)早期的小型預(yù)焙槽進(jìn)行改造，使電流強(qiáng)度由60“發(fā)展到100“左右，噸鋁電耗降到13.515.5"1。圖3-2自焙陽極上插棒式電解槽I一陽極導(dǎo)桿2一夾具3一陽極棒4一陽極5—電解質(zhì)6一鋁液7一氧化鋁殼8一伸腿（爐幫〉9一陰極母線10一陰極鋼棒II一陰極炭塊12一槽緣極13—陽極筐套14一陽極母線邊部加工預(yù)焙陽極電解槽與自焙陽極電解槽相比，陽極消耗低，陽極電壓降低，但槽集氣效率低，環(huán)保不能達(dá)標(biāo)。國內(nèi)大多已將其改為中間點(diǎn)式下料預(yù)焙電解槽。邊部加工預(yù)焙陽極電解槽結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-3所示。4I第四階段八中間點(diǎn)式下料預(yù)焙陽極電解槽在20世紀(jì)80年代初，由于電解槽磁場問題得到了較好地解決，大功率、高效率的硅整流器在電解廠的使用，使電解槽的容量發(fā)展到300中心下料預(yù)焙槽，并由雙端進(jìn)電及大面四點(diǎn)進(jìn)電發(fā)展到大面多點(diǎn)進(jìn)電及母線優(yōu)化設(shè)計(jì)，到目前已發(fā)展到350IV。噸鋁直流電耗降到12.8?13.5、其結(jié)構(gòu)圖如3-4所示。中間下料預(yù)焙陽極電解槽是采用點(diǎn)式下料器，每臺(tái)電解槽有3?6個(gè)打殼下料裝置，定期向槽中加料，具有保持工藝條件穩(wěn)定，保持電解質(zhì)中氧化鋁濃度穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，并可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模糊智能控制，是一種具有較高電流效率，能耗低，產(chǎn)量高，勞動(dòng)生產(chǎn)率高的槽型，同時(shí)，生產(chǎn)煙塵少，便于采用干式凈化回收。因此，現(xiàn)在國內(nèi)外新建電解槽都采用中間點(diǎn)式下料預(yù)焙陽極電解槽。在電解槽陽極結(jié)構(gòu)發(fā)展的同時(shí)，陰極結(jié)構(gòu)、母線結(jié)構(gòu)，進(jìn)電方式等都發(fā)生了較大改變。陰極槽體結(jié)構(gòu)由無底槽發(fā)展成有底槽；母線配置由簡單的沿槽周

圖3-3邊部加工預(yù)焙陽極電解槽1一炭陽極2一夾具3一母線4一槽罩5一鋼爪6一氧化鋁結(jié)殼和保溫料7一電解質(zhì)8

一爐幫9一鋼槽殼10一側(cè)部炭塊11一搗固糊（人造伸腿）12一陰極鋼棒圖3-4大型中間下料預(yù)焙陽極電解槽1一槽底磚內(nèi)襯2一陰極鋼棒3一鋁液4一邊部伸腿（爐幫〉5一集氣罩6

一陽極炭塊7一陽極母線8一陽極導(dǎo)桿9一打殼下料裝置10一支承鋼架11一邊部炭塊12一槽殼13一電解質(zhì)14一邊部扎糊（人造伸腿）15一陰極炭塊走向發(fā)展到穿過槽底的復(fù)雜走向；進(jìn)電方式從一端進(jìn)電發(fā)展到兩端進(jìn)電及多端進(jìn)電。這些改變對(duì)電解槽使用壽命的延長和生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)的提高都起到了良好的作用。電解槽型的選擇是電解鋁廠的核心技術(shù)的選擇，必須考慮當(dāng)?shù)氐牡乩項(xiàng)l件和交通運(yùn)輸條件及電力供應(yīng)和資金籌措等因素，一般來說，現(xiàn)今建設(shè)規(guī)模為10萬噸八年的鋁廠適合采用160230“的電解槽，建設(shè)規(guī)模為20萬噸八年的鋁廠適合采用300~350"的電解槽。由于新技術(shù)的創(chuàng)新，新工藝的采用，中間點(diǎn)式下料大型預(yù)焙陽極電解槽應(yīng)用越來越廣，其技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)主要表現(xiàn)在如下幾方面：（:！采用大面多點(diǎn)進(jìn)電方式，陰極母線采用非對(duì)稱性母線配置以抵消相鄰列電解槽磁場影響。（二）采用窄加工面技術(shù)，單圍欄槽殼和雙陽極大陽極炭塊六鋼爪結(jié)構(gòu)，一方面可以節(jié)省電解槽的材料用量，同時(shí)還能提高相應(yīng)的生產(chǎn)指標(biāo)，節(jié)省材料用量，降低了投資。八）氧化鋁輸送系統(tǒng)采用全密閉的濃相和超濃相輸送技術(shù)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、無污染。八）采用干法凈化技術(shù)用氧化鋁吸附含氟煙氣，往大氣排出的煙氣應(yīng)達(dá)到國家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。3.2鋁電解槽的結(jié)構(gòu)工業(yè)鋁電解槽通常分為陰極結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)，母線結(jié)構(gòu)和電氣絕緣四大部分。各種槽型的基本結(jié)構(gòu)形式雖大體相類似，但由于電流強(qiáng)度和工藝制度的不同，各部分結(jié)構(gòu)也有較大差異。3“2"1陰極結(jié)構(gòu)陰極結(jié)構(gòu)指電解槽槽體部分，它由槽殼、內(nèi)襯砌體構(gòu)成。1.槽殼槽殼為內(nèi)襯砌體外部的鋼殼和加固結(jié)構(gòu)，它不僅是盛裝內(nèi)襯砌體的容器，而且還起著支承電解槽，克服內(nèi)襯材料在高溫下產(chǎn)生的熱應(yīng)力和化學(xué)應(yīng)力，約束槽殼不發(fā)生變形的作用。槽殼在焙池部位必須具有較大的剛度和強(qiáng)度。為此，一般采用1216厚的鋼板焊接而成，外部用型鋼加固。槽殼結(jié)構(gòu)由無底槽的槽鋼結(jié)構(gòu)、有底槽的槽鋼和型鋼結(jié)構(gòu)，發(fā)展到臂撐式結(jié)構(gòu)槽殼?，F(xiàn)在，大容量的預(yù)焙電解槽都采用的搖籃式槽殼。此種槽殼又分為直角形搖籃架槽殼和船形搖籃架槽殼，如圖3-5所示。圖3-5搖籃式槽殼結(jié)構(gòu)示意圖I—直角形搖籃式槽殼6—船形搖籃式槽殼船形搖籃式槽殼與直角形搖籃式相比，它的槽殼底呈船形，其搖籃式為通長至達(dá)槽底板取消了腰帶鋼板與其間的筋板，具有強(qiáng)度大、剛性強(qiáng)、造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn)，新建廠家多采用此種槽殼。所謂搖籃式結(jié)構(gòu)就是采用數(shù)組具有較大的剛度和強(qiáng)度的“I形搖籃支架卡住鋼板焊制的殼體，外側(cè)端部的兩組是與槽殼焊成一體固定在一塊的，其余的是通過螺栓連接的可拆卸的活動(dòng)支架。船形搖籃式電解槽殼多采用單圍帶搖籃式結(jié)構(gòu)。單圍帶搖籃式結(jié)構(gòu)是指搖籃架直頂?shù)讲劬壈迳希@使得整個(gè)槽體受力合理，熱應(yīng)力變形小，有利于槽殼側(cè)壁的空氣對(duì)流，加速側(cè)部的散熱能力，促進(jìn)爐幫的自然形成和爐膛形狀的規(guī)整。由于此結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，易于施工，變形小，剛性強(qiáng)，節(jié)省材料，易檢修等特點(diǎn)，現(xiàn)在新建大型預(yù)焙電解槽的槽殼多選擇此種結(jié)構(gòu)。槽殼上部周邊焊有槽緣板，以保護(hù)側(cè)部炭塊不受損傷并可有效阻止側(cè)部炭塊在使用過程中受熱膨脹而引起的上漲。搖籃架和槽體之間以鋼墊板隔開，槽底與搖籃支架之間和槽體側(cè)部與搖籃支架之間設(shè)有石棉板，使槽體與搖籃支架結(jié)合平穩(wěn)，搖籃架受力均勻，并在低于300人以下工作。整個(gè)槽殼支撐在數(shù)根工字鋼梁上。1.內(nèi)襯電解槽內(nèi)襯材料常見有四類：碳質(zhì)內(nèi)襯材料、耐火材料、保溫材料、粘結(jié)材料。內(nèi)襯結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。圖3-6槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)圖1一硅酸鈣板2一保溫磚3一干式防滲料4一底部炭塊5一澆注料6一側(cè)部炭塊7一人造伸腿8一爐幫9一氧化鋁結(jié)殼10—陽極11一電解質(zhì)12—鋁液炭質(zhì)內(nèi)襯材料與電解質(zhì)和鋁液直接接觸，受熱沖擊和腐蝕最大，內(nèi)襯材料設(shè)計(jì)與筑爐質(zhì)量，直接影響到電解槽的生產(chǎn)指標(biāo)和槽壽命。為滿足槽子熱平衡的特殊要求，在槽側(cè)的上部要形成良好的散熱窗口，以保證槽內(nèi)形成規(guī)整的爐幫，槽側(cè)下部和底部需要良好的保溫，節(jié)省電能，底部保溫材料的選擇和組合確保900冗溫度線落在陰極炭塊之下，800I等溫線位于保溫磚之上。槽底由擠壓或振動(dòng)成型的陰極炭塊鋪成，炭塊中留有陰極棒溝槽。陰極炭塊與陰極鋼棒用糊或磷生鐵粘接，陰極炭塊的砌筑，可以采用兩個(gè)短炭塊兩個(gè)陰極鋼棒或一根通長炭塊和一根陰極鋼棒，炭塊間的縫隙用專制的“中間縫糊”扎固?，F(xiàn)在新建鋁廠普遍采用通長的半石墨化底部陰極炭塊鋪成。

底部陰極炭塊的形式（如圖3-7〉和陰極鋼棒與炭塊的組合形式見圖3-7、3-8。熔池側(cè)部由一層厚度為123的普通或半石墨炭塊背貼碳膠貼到鋼殼體A圖3-7陰極炭塊的組合形式圖3-8陰極鋼棒與炭塊的結(jié)合形上。現(xiàn)今大型預(yù)焙槽多采用抗熔體侵蝕性強(qiáng)、抗氧化性強(qiáng)和抗磨蝕性強(qiáng)的側(cè)襯材料一一炭化硅作側(cè)部塊。側(cè)底部炭塊和側(cè)部炭塊之間四周的邊縫搗成斜坡形，以形成人造伸腿，有利于形成槽幫。側(cè)部炭塊頂上用80皿皿寬，10皿皿厚的鋼板緊貼炭塊頂部并留有少量的空隙焊接在槽殼上作槽緣板，可保護(hù)側(cè)部炭塊不受機(jī)械損傷并有效地防止炭塊上抬。熔池側(cè)部由一層厚度為123的普通或半石墨炭塊背貼碳膠貼到鋼殼體A圖3-7陰極炭塊的組合形式圖3-8陰極鋼棒與炭塊的結(jié)合形電解槽底部首先鋪一層10皿皿厚的石棉板，一層65皿皿厚的硅酸鈣質(zhì)絕熱板，其絕熱效果相當(dāng)于22.5層普通硅藻土保溫磚。絕熱板上鋪一層5皿皿厚的耐火粉或氧化鋁粉以保護(hù)絕熱板。絕熱板四周和鋼殼的縫隙也用耐火粉或氧化鋁粉填充，然后干砌兩層65皿皿保溫磚，再用灰漿砌兩層耐火磚。為了加大熱絕緣，有的工廠還在保溫磚和耐火磚之間鋪上一層65皿皿厚的41:0八粉。絕熱板和保溫磚構(gòu)成槽底的主要熱絕緣層，其目的是使生產(chǎn)期間底部炭塊表面上沉淀物不致凝結(jié)，使電解質(zhì)初晶溫度等溫線移至炭塊之下，避免了因鹽類在炭塊孔隙中析出所產(chǎn)生的應(yīng)力而破壞炭塊。同時(shí)，絕熱板和保溫磚均屬疏松多孔材料，能夠一定程度上吸收鹽類結(jié)晶放出的應(yīng)力，雖然將喪失一部分保溫效果，卻能保持槽內(nèi)砌結(jié)構(gòu)的完好。耐火磚層是槽底熱絕緣層的保護(hù)帶。耐火磚層的存在，可使得保溫磚在圖3-9炭塊、結(jié)合氮化硅塊斷面示意圖一炭塊2一炭化硅結(jié)合氮化硅塊3一人造伸腿料，

這樣800圖3-9炭塊、結(jié)合氮化硅塊斷面示意圖一炭塊2一炭化硅結(jié)合氮化硅塊3一人造伸腿料，

這樣在耐火磚表面上扎碳素墊層，再安裝陰極炭塊組，其陰極炭塊間的縫隙用“中縫糊”扎固。不同類型的電解槽側(cè)部保溫要求不同。例如中、小型自焙槽和邊部加料預(yù)焙槽要求側(cè)部保溫良好，減少側(cè)部散熱。但中間下料的大型預(yù)焙槽，邊部不加工，爐膛靠電解質(zhì)自身凝固形成，保溫太好對(duì)爐膛形成不利，所以要求側(cè)部應(yīng)有適度的散熱，大型中間下料預(yù)焙槽邊部均采用抗腐蝕性好，傳熱性能好的材料以保證形成規(guī)整、穩(wěn)固的槽膛內(nèi)形。電解槽側(cè)部過去一直采用加強(qiáng)側(cè)部散熱的單層石墨炭塊，但側(cè)部漏電嚴(yán)重，電能消耗高?，F(xiàn)代大型預(yù)焙電解槽多采用高產(chǎn)高效，低消耗的中間點(diǎn)式下料預(yù)焙電解槽，由于此類槽采用中間下料，邊部很少進(jìn)行打殼下料作業(yè)。但此類槽子槽側(cè)壁溫度高，熱損失大，側(cè)部內(nèi)襯不易形成爐幫，易形成早期破損，縮短槽壽命。為此，現(xiàn)在新建鋁廠槽內(nèi)襯多采用底部直接鋪砌一層，硅酸鈣板，干砌兩層輕質(zhì)保溫磚后，將干式防滲料鋪在其上，用樣板刮平，用砂石夯實(shí)后再鋪砌陰極炭塊。干式防滲料能與滲透電解質(zhì)反應(yīng)生成致密的玻璃體狀霞石層，阻止電解質(zhì)向下滲透，減少陰極炭塊隆起和側(cè)部滲漏。側(cè)部采用氮化硅結(jié)合炭化硅塊，在生產(chǎn)中易形成穩(wěn)定的爐幫，既保護(hù)了側(cè)襯，又降低了槽側(cè)壁的熱損失。由于氮化硅結(jié)合炭化硅塊價(jià)格比較昂貴，而有些工廠為了節(jié)省槽內(nèi)襯的造價(jià)，常采用炭塊與氮化硅結(jié)合塊的復(fù)合型磚型，如圖3-9所示。側(cè)部炭塊周邊砌體的砌筑方法在大小面相同，其四周澆注輕質(zhì)耐火澆注在澆注料上砌一層普通耐火磚，其上砌側(cè)部保護(hù)塊，并用耐火顆粒料填充。不妨礙高溫下陰極鋼棒的伸長。陰極炭塊和陰極鋼棒的連接是在陰極炭塊組裝車間的專門設(shè)備上進(jìn)行的炭塊加熱后，將