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电解铝基础知识汇总

2020/5/5 8:13:43 人评论 次浏览 分类:技术

1、铝的性质:熔点低、熔点660℃、沸点高、密度小、电阻率小、有良好的导电性和反射光的能力、无磁性。具有两性,可与多种金属构成合金,与氧反应。其电化当量C=0.3356g.A-1.h-1

2、电解质主要成分是冰晶石,电解炼铝主要原料是氧化铝。炼铝历史:化学法炼铝(1886年前)、电解法炼铝(1886年后)。

3、电解槽是电解炼铝的核心设备;根据阳极分可以分为预焙阳极和自焙阳极,自焙阳极按导电方式分为旁插棒式和上插棒式,预焙阳极按连续使用与否分为连续式与不连续式;电解槽系列有横向和纵向两种。

4、冰晶石即氟铝酸钠,分子式为:Na3AlF6,或3NaF.AlF3,它有人造冰晶石和天然冰晶石两种。人造冰晶石生产方法主要有酸法,碱法,干法和磷肥副产法。

5、电解铝电解质以冰晶石为主体的原因(H-H法优点):1)冰晶石中不存在析出电位比铝正的元素,这可避免其他金属离子在阳极放电而降低Al的质量,2)熔融的冰晶石易溶解Al2O3,3)Al2O3的熔点为 2030℃,而Al2O3与Na3AlF6形成熔体后,其初晶温度降为930—980℃,4)熔融的冰晶石-氧化铝熔体具有较小的密度,5)具有较好的导电性和适合的粘度,6)不与槽内衬发生电化学反应,7)在电解温度下不吸水,挥发性不大,8)在电解温度下,具有较小的挥发度。

6、铝电解生产中向电解质加入添加剂的目的:改善原有电解质的性质,满足电解需求。

对添加剂的基本要求:1)在电解过程中不被电解成其他元素而影响Al的质量;2)应能对电解质的性质有所改善 3)吸水性和挥发性要小;4)对Al2O3的溶解度不能有太大影响 5)来源广泛,价格低廉。

7、分子比:MR=NaF分子百分数/ AlF3分子百分数 M<3 酸性电解质 MR=2WR WR=NaF质量百分数/AlF3质量百分数。

8、添加剂对铝电解质熔体密度的影响:CaF2,MgF2的添加使电解质的密度增大。就影响程度而言,CaF2甚于MgF2,但是在添加量为5—10%时,对电解质的密度影响很小。添加剂NaCl和LiF对Na3AlF6 -Al2O3系熔体密度的影响与之相反,他们都使熔体的密度明显的降低。

9、工业铝电解质的密度:当工业电解质的摩尔比在2.4—2.7范围内,Al2O3浓度为4—6%,CaF2为2—4%时,其密度为2.095—2.111(g/cm3)。比铝液的密度(2.3)低0.2 g/cm3左右。

10、熔体的导电率是指1cm,截面积1cm2的体积的熔体的电导,也称为比电导。

11、添加剂对铝电解质粘度的影响:随着MgF2和CaF2含量的增加,熔体的粘度也随之增加;NaCl和LiF的添加将使得冰晶石—氧化铝熔体的粘度降低。粘度大,熔体的电导率降低;粘度小,导电率增高,但却加速了铝的溶解与再氧化反应而使电流效率降低。

12、电解质的分类:用分子比分为酸性,中性,碱性。电解槽用酸性电解质。电解槽采用酸性电解质的原因:1)酸性电解质满足铝在电解质中的溶解度小2)电解质中Na+浓度不太高3)电解质的初温温度低4)结壳松软,便于加工。

两极上的放电反应:阳离子向阴极移动:Al3+(配离子)+3e→Al 阴离子向阳极移动:2O2-(配离子)+C-4e=CO2(C为阳极);2O2-(配离子)-4e=O2(惰性阳极)。主反应:2Al3+(配离子)+3O2-(配离子)+1.5C=2Al+1.5CO2

2、分解电压:维护长时间稳定电解,并在电极上获得电解产物所必须外加到两极上的最小电压。测定的主要方法:测定化学电池的电势。惰性电极(Pt电极)测得的分解电压为2.1~2.2V,活性电极(C电极)测得的分解电压为1.15~1.16V。

3、Al2O3在950℃生成的分解电压:惰性阳极2.224,活性阳极1.2

4、两极上发生副反应:阳极副反应:1)阳极气体的二次氧化作用2)阳极过电压3)阳极效应;阴极副反应:1)铝的溶解及损失2)Na+的析出。

5、临界电流密度:在一定条件下,电解槽发生阳极效应时的最低阳极电流密度。

判断依据:阳极电流密度大于临界电流密度时,将发生阳极效应

6、阳极电流效应现象:阳极周围(指与熔体接触的部位)电弧耀眼夺目,并伴有噼噼啪啪的声响,阳极周围电解质却不沸腾,没有气泡大量析出。电解质好像被气体排开,电解槽的工作电压处于停顿状态。此时槽电压有原来的4V猛升到30~50V,甚至更高,与电解槽并联的指示灯发亮,表示该电解槽发生了阳极效应。

7、阳极效应的机理:润湿性变差学说P159:润湿性变差是指电解质对炭阳极底掌的润湿性变差。这种学说认为,在正常电解时,熔体对阳极底掌的润湿性良好,气泡很快地被电解质从底掌排挤出来。当熔体中Al2O3浓度降低到一定程度时,润湿性变差,致使阳极气体不能及时排走,气泡逐渐聚集成大面积的气膜,覆盖于阳极底掌上,这样,气膜就阻碍电流的畅通。电流被迫以电弧的形式穿透气膜,放出强烈的弧光和振动噪音,这就是阳极效应。

8、效应系数:每台槽一昼夜发生阳极效应的次数。(看)

9、发生阳极效应的利弊:利:1)可根据效应的情况来检查电解槽的运行情况2)可以调节电解槽的温度,有利于炭值分离;弊:1)阳极不产铝2)电压大大增加,电耗大大增加,影响产量3)由于电压升高,电解温度升高,杂质Na+ 放电,影响Al的质量。(看)

1、电流效率:电解槽通过一定电流,在一定时间,实际产铝量与理论上应产铝量之比η=(P实/P理)×100%   P实=CIt×10-3kg C:铝的电化当量,表示在电解槽通过1A电流,经过1小时电解即通过3600库电量时,理论上在在阴极上所析出的铝的克数。C=0.3356g.A-1.h-1

2、电流效率降低的原因:1)铝的溶解和再氧化损失2)铝的不完全放电,3)其他离子放电:钠离子放电,杂质离子放电4)其他损失:水的电解,碳化铝的生成,熔体中电子导电。

3.极距:铝电解槽中铝液界面至阳极底掌的距离。

理论电耗:用来分解氧化铝的最小电耗量(此时没有热损失,没有铝损失,没有电流空耗,即r=1,N=1叫做理论电耗量)W理。与理论电耗W理相对应的电压称为理论电压。

4、电能效率是指生产一定数量的金属铝,理论上应该消耗的能量(W理)和实际上所消耗的能量(W实)之比。理论电耗率就是单位产铝量理论上所需要的能量。工业铝的电能消耗的分配:1)补偿反应过程的自由能变化所消耗的能量2)补偿反应物由室温T1升高到电解温度T3热焓变化所消耗的能量3)补偿反应过程束缚能所消耗的能量4)补偿电解槽四周空间的热损失所消耗的能量5)电解槽外部线路上的电能损失

降低电流效率的原因:

1)铝的溶解和再氧化损失,它是电流效率降低的主要原因。已电解出来的铝又溶解或机械混入到电解质中,并被循环的电解质带到阳极空间被阳极气体CO2或空气中O2所氧化2)铝的不完全放电  高价铝离子的不完全放电是造成电流效率降低的重要因素之一。在阴极,Al3++2e→Al+;在阳极,Al+-2e→Al3+这些反应反复进行,造成电流的无功损失3)其他离子放电,主要是钠离子放电,钠离子沸点低,以气体状态蒸发或渗入槽底;钠离子放电的可能性还随着阴极电流密度的提高而增大。还有杂质离子放电,熔体中因原料哦不纯带进许多杂质,如等离子。这些离子的电位都正于铝离子,而优先在阴极上放电,其结果使铝的品位降低,电流效率降低4)其他损失水的电解、碳化铝的生成、熔体中的电子导体、阳、阴间的极短路、漏电、以及出铝时的机械损失等也都是电流效率下降的原因。

提高电流效率的途径(电流效率的影响因素): 

电流效率η= [1-kzf(Co'-C')/δD阴]*100%

1)电解温度:电解温度越大,溶解铝的扩散速度越快,电流效率损失越大,铝的二次反应加剧,铝损失增大,电流效率降低

2)极距:极距增大,搅拌作用减小,扩散层厚度增加,铝损失减小,电流效率增大,当极距超过一定程度,电解温度明显升高,对流循环加快,电流效率提高放缓趋于0

3)电解质成分:氧化铝浓度低,溶解快,熔体中无悬浮的氧化铝颗粒,有利于稳定生产,提高电流效率,能降低铝损失的添加剂有利于提高电流效率。

4)铝液高度:铝是电热良导体,它的存在,能将阳极下部多余的热量从电解槽四周疏导出去,使电解质温度趋于均匀。同时降低水平电流,提高电流效率。但当达到一定高度后,电流效率反而会随高度的增加而降低。

5)电流密度:电流密度随阴极电流密度的增大而增大,在阳极电流密度一定的情况下,缩小阴极面积提高阴极电流密度,可以提高电流效率。

6)电解质高度。

5、铝电解槽的电压平衡:

V平=△V槽+△V母+△V效,(1)电解槽工作电压(△V槽):又简称槽电压,可以由电解槽上的电压表直接测出。槽电压包括阳极,阴极,电解质电压降和反电动势(或称实际分解电压)△V槽=△V阳+△V质+△V阴+E反(2)槽外母线电压降(△V母)(3)阳极效应分摊电压降△V效

6、铝电解槽的节能途径:

1)提高电流效率2)降低平均电压:提高电解质的电导率,降低阳极过电压,降低母线压降3)降低电解槽的热损失:增加壳面的保温料的厚度;加强槽体保温。

7、处于正常生产状态的电解槽外观特征有:

1)火焰从火眼强劲有力的喷出,火焰的颜色为淡蓝色或稍带黄线2)槽电压稳定,或在一个很窄的范围内波动3)阳极四周边电解质“沸腾”均匀4)炭渣分离良好,电解质清澈透亮5)槽面上有完整的结壳,且疏松好打

8、(了解)铝电解槽的焙烧:对自焙槽,焙烧阳极炭块;对预焙槽,焙烧阴极。

预焙槽的目的:1)烘干炉体2)烧结炭糊3)提高槽膛和内衬的温度,为下一步启动做准备。对于自焙槽,除了以上目的,还为了把阳极焙烧好。

电解槽焙烧方法:1)铝液预热法2)焦粒焙烧法3)石墨粉焙烧法4)燃料预热法。

9、铝电解槽的常规作业主要包括有加料(或叫加工),出铝和阳极工作三部分

加料方式:自焙槽边部加料,在两大面;预焙槽中间加料,自由下料。

加料要求:勤加料、少加料(加料次数多,每次加料量少)优点1)氧化铝溶解快,槽里不会产生沉淀2)均匀保持氧化铝浓度,提高电解质的导电率3)使电解槽中的温度波动小,保持电解槽平稳操作4)减少阳极效应的发生,使效应系数减小到0.3以下。(加料量的计算☆)

10、每二次出铝之间称之为出铝周期。中型槽一般为1—2天,大型槽每天出一次,每次出铝量大体上等于在此周期内的铝产量。

11、调节分子比的原因:电解质分子比变动1)启动期,从熔化到正常生产,分子比减小。主要是碳素材料内衬吸收分子比高的组分,使得NaF减小;2)正常生产期,分子比增大。主要是冰晶石被原料中的H2O、Na2O、CaO分解,使得NaF增多,AlF3减小,另外AlF3挥发,使得AlF3减少。调节方法:一般加AlF3来降低分子比,用Na2CO3或NaF来调高分子比。(分子比的计算☆)

1、电流效率的计算(P162)  η=(P实/P理)×100%

理论产铝量:M理=CIt(g)= CIt×10-3  实际产铝量:M实=Mt—Mo—∑Mi;Mt:计算周期结束时,槽中剩余的铝量(㎏);Mo:计算周期开始时,槽中的低铝量(㎏);∑Mi:计算周期时间出铝的总量(㎏)

2、铝电解的电能效率(P179):ηE=(W实/W理)×100%;G=Q实/W实=0.3356η/V;电耗率 w= W实/ Q实=2.98V/η其中η表示电流效率,V表示电解槽平均电压。

例1.一个64KA的铝电解槽一个月(30天)共出铝13452Kg,月初还盘存槽中的铝量为4000Kg,月末盘存加槽中铝量为4150Kg.求该槽本月的电流效率。

答:η=[(P2-P1)+Mi]/CIt*10-3

=(4150-4000+13452)/0.3356*64000*30*24*10-3=87.96%

例2.已知电解质的重量为6吨,其中CaF23%,Al2O35%,分之比3.0。今欲调整分之比为2.6.求所需加AlF3?

答:(1)原有电解质中NaF、AlF3、各有多少公斤?

 NaF+AlF3=6000*(1-3%-5%) [NaF]/[AlF3]=M=3

M=2W,W=1.5   W=NaF/AlF3=1.5

由上推出:NaF=3312Kg,AlF3=2208Kg,

(2)求所需AlF3的量?

M=2.6  M=2W,W=1.3

3312/(2206+x)=1.3  得出x=339.7Kg

过电压的构成:(1)阳极反应的反应过电压;(2)阳极电阻过电压(气膜电阻);(3)浓差过电压;(4)势垒过电压。

铝的电化当量:在电解槽通过1A电流经过1小时,理论上阴极所应析出的铝的克数,用C表示。

铝电解生产对电解质性质的要求:1、密度:铝与电解质之间的密度差要大于0.2g/cm3。2、导电度要大。3、表面性质:(1)铝液与阴极炭块之间的界面张力要大;(2)铝液与电解质之间的界面张力要大;(3)电解质与阳极炭块之间的界面张力要小;(4)铝液与侧面炭块之间的界面张力要大;(5)电解质与侧面炭块之间的界面张力要大。4、粘度要适中。5、蒸汽压要小。6、迁移数:Na+迁移数要大。7、铝在电解质中的溶解度要小。8、电解质中的钠离子酸度不能太高,防止Na+在阴极放电。9、电解质的熔度(即初晶温度)要低。10、结壳要松软,便于加工。{7、8、9、10采用酸性电解质能满足要求}

造成铝损失的三个阶段:A、阴极铝在电解质中的溶解(溶解);B、溶解的铝(Al+、Na、Na2+、Al)向阳极转移(扩散);C、溶解铝转移到阳极附近被阳极中的CO2(或空气中的氧)所氧化。关于铝损失的控制阶段——扩散。


来源:铝途

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