淺談鋁電解生產(chǎn)工藝技術(shù)

1、. . . . 淺談鋁電解生產(chǎn)工藝技術(shù)1生產(chǎn)工藝    (1)工藝機(jī)理鋁電解工業(yè)生產(chǎn)采用霍爾-埃魯冰晶石-氧化鋁融鹽電解法。所謂冰晶石氧化鋁融鹽就是以冰晶石為主的氟化鹽作為熔劑，氧化鋁為熔質(zhì)組成的多相電解質(zhì)體系，即為Na2AIF6-A12O3二元系和Na3AIF6-AIF3-Al2O3三元系是工業(yè)電解質(zhì)的基礎(chǔ)。    能夠傳導(dǎo)電流和在電流通過(guò)時(shí)改變自己成分的液體叫做電解質(zhì)。    許多年以來(lái)，鋁電解質(zhì)一直以冰晶石為主體，其原因如下。   純冰晶石不含析出電位（放電電位）比鋁更

2、正的金屬雜質(zhì)（鐵、硅、銅等），只要不從外界帶入雜質(zhì)，電解生產(chǎn)可以獲得較純的鋁。   冰晶石能夠較好的溶解氧化鋁，在電解溫度950-970時(shí)，氧化鋁在冰晶石溶液中的溶解度約為10（質(zhì)量）。   在電解溫度下，冰晶石一氧化鋁熔液的密度比同溫度的鋁液的密度小，它浮在鋁液上面，可防止鋁的氧化，同時(shí)使電解質(zhì)和鋁很好地分離，這既有利于電解過(guò)程，又簡(jiǎn)化了電解槽結(jié)構(gòu)。   冰晶石有一定的導(dǎo)電能力，這樣使得電解液層的電壓降不至過(guò)高。   冰晶石熔液在電解溫度下有一定的流動(dòng)性，陽(yáng)極氣體能夠從電解

3、液中順利地排出，而且有利于電解液的循環(huán)，使電解液的溫度和成分都比較均勻。   鋁在冰晶石熔液中的溶解度不大，這是提高電流效率的一個(gè)有利因素。   冰晶石熔液的腐蝕性很大，但碳素材料能抗受它的侵蝕，用碳素材料作襯建造電解槽基本上可以滿足生產(chǎn)的要求。   在熔融狀態(tài)下，冰晶石基本上不吸水，揮發(fā)性也不大，這將減少物料消耗并能保證電解液成分相對(duì)穩(wěn)定。    以上所述有的是冰晶石的優(yōu)點(diǎn)，也有的是它的缺點(diǎn)，如純冰晶石的熔點(diǎn)較高（1008.5），導(dǎo)電性能不好和腐蝕性強(qiáng)，以與氧化鋁在其中的溶

4、解量不大等，這些導(dǎo)致了熔鹽電解法生產(chǎn)鋁時(shí)電能消耗大，建設(shè)投資和生產(chǎn)費(fèi)用高。多年來(lái)，為了克服其缺點(diǎn)，促使入們?nèi)ふ夷艽嫠男挛镔|(zhì)，但至今尚未取得成功；同時(shí)，入們也研究使用一些添加物像氟化鈣、氟化鎂、氟化鋰等，來(lái)改善冰晶石一氧化鋁熔體的性質(zhì)。因此，鋁工業(yè)用的電解質(zhì)已經(jīng)遠(yuǎn)不是簡(jiǎn)單的二元系而是多元系了。現(xiàn)將添加物氟化鈣、氟化鎂、氟化銼對(duì)電解質(zhì)熔融溫度的影響列于表。表1  添加物對(duì)電解質(zhì)熔融溫度的影響電解質(zhì)成分未加添加物時(shí)熔融溫度/加添加物時(shí)的熔融溫度/添加物種類5%10%2.7Na·FAlF3+5%Al2O3982965953CaF2950920MgF2930LiF &

5、#160;  從表1可以看出，氟化鋰、氟化鎂能顯著地降低電解質(zhì)的初品溫度，但這些添加物分別有降低氧化鋁溶解度或惡化其他性質(zhì)的缺點(diǎn)，所以只有控制適當(dāng)?shù)奶砑恿坎拍芷鸬筋A(yù)期的效果。迄今為止，還沒(méi)有一種完全合乎理想的添加劑。    在固態(tài)下冰晶石比鋁密度大，但融化之后則比鋁密度小，在電解溫度下此密度變化與差值使電解液和鋁液能很好地分離開(kāi)，鋁液沉在槽底，電解液漂浮在上層，保護(hù)在陰極析出的鋁不遭受氧化。    液體表面分子或離子被其層的分子或離子所吸引向壓縮的力量叫做表面力。鋁電解槽中產(chǎn)生表面力現(xiàn)象的不同物質(zhì)的接觸面有四個(gè)： 

6、  熔融電解質(zhì)和氣體（陽(yáng)極氣體和空氣）的界面；   熔融電解質(zhì)和固體碳素陽(yáng)極的界面；   熔融電解質(zhì)和液體金屬的界面；   液體金屬與固體碳素陰極的界面。    在電解槽，金屬同電解質(zhì)，以與金屬同碳素材料的界面上有很大表面力，因而鋁不能濕潤(rùn)碳素，從而不能被其吸收。由于鋁在電解質(zhì)界面上具有大的表面力，這樣就有助于減少鋁在電解質(zhì)中的溶解損失。鋁在碳素界面上的表面力決定于它的純度，鋁中含有硅、鐵，特別是鈉能夠降低其表面力，因而促進(jìn)了向炭塊的孔隙與裂縫中滲透，從而

7、影響電解槽的壽命。    在現(xiàn)代工業(yè)上供給鋁電解生產(chǎn)使用的原材料有冰晶石、氟化鈉、氟化鋁、氟化鈣、氟化鎂和氧化鋁等。這種由冰晶石和其他幾種氟化物組成的熔劑與氧化鋁組成的電解質(zhì)在950左右 能夠很好地導(dǎo)電，而能夠抵抗這種電解質(zhì)侵蝕并且又能良好導(dǎo)電且價(jià)格低廉的惟有碳素材料。因此，目前鋁工業(yè)均采用炭陽(yáng)極和炭陰極，電解過(guò)程總的反應(yīng)方程式為：    （如果陽(yáng)極氣體組成是70%CO230%CO時(shí)）    這種電解質(zhì)熔液在950左右密度大約為2.1g/cm3,比同一溫度下鋁液2.3 g/cm3小10%左右，因而能夠保證

8、電解過(guò)程中鋁液與電解質(zhì)熔液分層。在這種熔液里基本上不含有比鋁更正電性的元素，從而能夠保證電解產(chǎn)物鋁的質(zhì)量。此外，冰晶石一氧化鋁熔液基本上不吸水，在電解溫度下它的蒸氣壓不高，具有較大的穩(wěn)定性。    當(dāng)電流通過(guò)電解質(zhì)時(shí)，使這些物質(zhì)組成在電極上分離出來(lái)的現(xiàn)象叫做電解，盛電解質(zhì)的裝置就叫做電解槽。在正常生產(chǎn)時(shí)，電解槽的槽底積存一定數(shù)量的金屬鋁，這個(gè)金屬層的表面就是陰極表面，它與電解質(zhì)直接接觸，因而必然有部分金屬溶解到電解質(zhì)中去，陰極金屬鋁溶解到電解質(zhì)中是降低電流效率的主要原因。影響鋁在電解質(zhì)中的溶解度的最大因素是溫度，溫度愈高，鋁的溶解損失愈大。根據(jù)對(duì)鋁電解槽的多次測(cè)量

9、表明，溫度每升高10，電流效率大約降低1%-2。因此，電解槽力求保持低溫操作，對(duì)于提高電流效率是有好處的。    陽(yáng)極效應(yīng)是熔鹽電解時(shí)的特殊現(xiàn)象，冰晶石氧化鋁電解時(shí)，當(dāng)電解區(qū)中氧化鋁含量降低到1-2時(shí)，則可在陽(yáng)極上發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)。陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生的原因，有多種解釋，但最受重視能較好解釋效應(yīng)現(xiàn)象的是濕潤(rùn)性改變學(xué)說(shuō)和電極過(guò)程改變學(xué)說(shuō)兩種，在此不做詳細(xì)解說(shuō)。    (2)鋁電解生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)述鋁電解生產(chǎn)過(guò)程，主要是以冰晶石一氧化鋁熔液做電解質(zhì)，碳素材料為陰極和陽(yáng)極，直流電從陽(yáng)極導(dǎo)入，經(jīng)過(guò)電解液和鋁液層后從陰極棒導(dǎo)出，直流電的作用是以熱能形式保持冰

10、晶石、氧化鋁等原料呈熔融狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，反 應(yīng)結(jié)果在陽(yáng)極上生成二氧化碳和一氧化碳?xì)怏w，在陰極上析出液態(tài)金屬鋁。隨著電解過(guò)程的進(jìn)行，析出的鋁被蓄積起來(lái)，周期地從電解槽中取出來(lái)，取出的鋁從電解廠房送往鑄造部門(mén)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理后澆鑄成各種規(guī)格的坯錠。    一臺(tái)電解槽是一個(gè)生產(chǎn)單元，一定數(shù)量的電解槽串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成一個(gè)系列，一個(gè)或幾個(gè)系列組成一個(gè)電解車(chē)間。鋁電解生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。    從圖1可見(jiàn)，電解鋁使用的原料是氧化鋁、陽(yáng)極糊或預(yù)焙陽(yáng)極塊（陽(yáng)極塊）、冰晶石、氟化鋁和其他氟化物等，這些原料都是在專門(mén)的車(chē)間或工廠中制備的。 

11、;   煙氣中除二氧化碳和一氧化碳外，還含有少量的氟化氫或其他氣體，氟化氫是有害氣體，影響周?chē)h(huán)境，應(yīng)當(dāng)予以妥善處理。現(xiàn)行凈化方法有濕法和干法兩種，究竟哪種方法更為適用，應(yīng)根據(jù)電解槽槽型以與具體條件確定，凈化時(shí)收回的再生冰晶石或含氟氧化鋁可返回電解槽使用。    電解鋁生產(chǎn)的主要設(shè)備電解槽在安裝完畢后，要經(jīng)過(guò)焙燒和開(kāi)動(dòng)階段后才能轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)，一般能持續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)3-5年，有時(shí)由于槽襯早期發(fā)生破損，嚴(yán)重影響鋁的產(chǎn)量、質(zhì)量或發(fā)生漏槽危險(xiǎn)時(shí)，便將電解槽停槽檢修，檢修好以后經(jīng)過(guò)焙燒開(kāi)爐再恢復(fù)生產(chǎn)。    (3）電解鋁所用的原

12、料與質(zhì)量要求   氧化鋁（A12O3）  氧化鋁是三氧化二鋁的簡(jiǎn)稱，也稱作鋁氧。它是從鋁礦石提取出來(lái)的。當(dāng)前生產(chǎn)氧化鋁用的砂石有鋁土礦、霞石、藍(lán)晶石、明礬石和高嶺土等。我國(guó)目前主要采用鋁土礦作為制取氧化鋁的原料，其生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的質(zhì)量要求詳見(jiàn)氧化鋁生產(chǎn)工藝篇。   冰晶石（Na3AIF6）  冰晶石的分子式也可寫(xiě)成3NaF.AlF3，冰晶石中氟化鈉和氟化鋁摩爾比叫做冰晶石的分子比，純冰晶石的分子比等于3，相對(duì)密度是2.9，其組成是Al占12.8%，Na占32.8%，F(xiàn)占54.4%。冰晶石分子比大于3的屬堿性，小于3

13、的屬酸性，等于3的是中性。生產(chǎn)上使用的冰晶石有四種：天然冰晶石，入造冰晶石，回收所得的浮選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礦非常少，從礦山開(kāi)采出來(lái)的天然冰晶石一般含80%左右的純冰晶石，所以必須經(jīng)過(guò)分選才能得到合乎要求的產(chǎn)品。分選后的冰晶石的組成大致是：A1占13%一14%，F(xiàn)占53%-54%，Na占30%-32%，此外還有少量的鐵硅等雜質(zhì)。隨著鋁工業(yè)的發(fā)展，由于天然冰晶石儲(chǔ)藏量小、分布不普遍、質(zhì)量差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了電解煉鋁的需要，所以入們只能用入工方法大量生產(chǎn)冰晶石，中國(guó)鋁工業(yè)從一開(kāi)始就使用入造冰晶石生產(chǎn)鋁。 

14、   b.入造冰晶石  一般通稱合成冰晶石，工業(yè)上只簡(jiǎn)稱冰晶石，它是白而稍帶灰色的粉末，質(zhì)感柔軟，略粘手，用手可捏攏成團(tuán)，不溶于水。鋁電解用合成冰晶石的分子比在1.6-2.0左右，由于受生產(chǎn)方法限制，其雜質(zhì)含量比氧化鋁高，冰晶石的產(chǎn)品質(zhì)量級(jí)別如表2所示。表2 冰晶石質(zhì)量級(jí)別（GB4291-84）等級(jí)化學(xué)成分/%H2OFAlNaSiO2+F2O3SO42-P2O5特級(jí)5313310.250.80.020.5一級(jí)5313310.41.20.050.8二級(jí)5313310.51.50.051.3    C.浮選冰晶石  電解槽正常生

15、產(chǎn)時(shí)，在電解液表面上經(jīng)常漂浮一層炭渣，撈出的炭渣中約含60%-70%電解質(zhì)，通常采用浮選法從炭渣中選出電解有用的成分，稱為浮選冰晶石。對(duì)拆槽下的廢炭塊進(jìn)行浮選時(shí)也能得到浮選冰晶石。    d.再生冰晶石  電解槽采用濕法進(jìn)行煙氣凈化時(shí)回收的冰晶石，稱為再生冰晶石，其中往往含有少量的氧化鋁、其他氟化物以與炭粉等。需要指出，浮選冰晶石和再生冰晶石的質(zhì)量波動(dòng)都較大，在使用之前要進(jìn)行質(zhì)量分析，而且常常是先加入母槽里，經(jīng)過(guò)凈化后再移入正常槽中。   氟化鋁（A1F3）  氟化鋁是白色堅(jiān)硬的粉末，比氧化鋁的顆粒稍大一些，它的流

16、動(dòng)性僅次于氧化鋁，在電解溫度下易揮發(fā)，遇水易水解。在電解過(guò)程中由于氟化鋁的揮發(fā)和水解而使電解液分子比提高，為保持規(guī)定的分子比，需根據(jù)分析結(jié)果補(bǔ)充氟化鋁以調(diào)整電解液的成分，氟化鋁的質(zhì)量級(jí)別如表3所示。表3 氟化鋁質(zhì)量級(jí)別（GB4292-84）等級(jí)化學(xué)成分/%H2OFAlNaSiO2+F2O3SO42-P2O5一級(jí)613040.41.20.057二級(jí)613050.51.50.057   氟化鈉（NaF）  氟化鈉是白色粉末，易溶于水。電解槽開(kāi)動(dòng)初期，因?yàn)槠涮妓匾r選擇吸收氟化鈉，使電解液分子比急劇下降，那時(shí)要用較多的氟化鈉調(diào)整分子比。此外，因?yàn)檠b槽用合成冰晶石

17、的分子比太低，為調(diào)整到開(kāi)動(dòng)要求的分子比，也需要摻配大量的氟化鈉，氟化鈉的質(zhì)量級(jí)別如表4所示。表4 氟化鈉質(zhì)量級(jí)別（GB4293-84）產(chǎn)品化學(xué)成分/%級(jí)別NaFH2OSiO2酸度（HF）Na2CO3硫酸鹽SO42-水中不溶物一級(jí)980.50.50.10.50.30.7二級(jí)94110.110.53三級(jí)841.50.12210   氟化鈣（CaF2）  氟化鈣是從天然螢石精選出來(lái)的，選后的粒度為通過(guò)140目的占90%，其中有75通過(guò)200目。氟化鈣是應(yīng)用較早較普遍的一種添加物，其化學(xué)成分占的比例如下：     

18、;    CaF2      SiO2      A12O3F2O3     H2O         CaCO3        95   1.4     0.5     

19、 0.5     1.5   氟化鎂（MgF2）  氟化鎂也是一種添加物，但使用得不太普遍，而且使用時(shí)間較氟化鈣晚，入們認(rèn)為在改善電解質(zhì)性質(zhì)方面它是一種比較好的添加物，其化學(xué)成分要求如下：           F       Mg      SiO2     SO42-

20、     R2O3      H2O         45  32  0.9   1.5   1.0   1.0   陽(yáng)極糊陽(yáng)極糊是焙燒成旁插或上插槽陽(yáng)極的原料，在電解過(guò)程中氧化鋁分解后產(chǎn)生的氧將陽(yáng)極的碳素氧化，陽(yáng)極隨著電解的進(jìn)程而消耗，由于電解過(guò)程連續(xù)進(jìn)行，所以必須定期地添加陽(yáng)極糊。陽(yáng)極糊的消耗量很大，僅次于氧化鋁。

21、陽(yáng)極糊被加入旁插或上插槽中后，借助自身電阻產(chǎn)生的焦耳熱和電解液供給的熱量，自行焙燒成為碳素陽(yáng)極，所以這兩種陽(yáng)極叫做連續(xù)自焙碳素陽(yáng)極。鋁工業(yè)采用碳素材料做電極，是因它具有良好的導(dǎo)電性和足夠的強(qiáng)度，而且能耐高溫、能抗受氟化物的侵蝕以與貨源廣而且價(jià)廉。    陽(yáng)極糊是在陽(yáng)極糊車(chē)間或碳素工廠中制備的，把在1250以上煅燒后粉碎成有一定粒度配比的石油焦或?yàn)r青焦或兩種焦的混合物，同占總量28%-32的熔融瀝青在混捏鍋或連續(xù)混捏機(jī)中混捏，混合均勻后倒進(jìn)鐵制容器或鐵模型中冷卻成型（規(guī)格有大有?。┗蛑瞥尚F(tuán)塊。陽(yáng)極糊的質(zhì)量級(jí)別如表5所示。表5 陽(yáng)極糊質(zhì)量級(jí)別（YS/T 284-19

22、98）牌號(hào)灰分/%電阻率/（·m）耐壓強(qiáng)度/（N/m2）真密度/（g/cm3）體積密度/（g/cm3）CO2反應(yīng)性/mg/(cm2·h)TY-00.35702921.480TY-10.4575281.991.3995TY-20.680271.981.38110TY-30.880271.981.38110    除表5列出的共同要求外，在塑性方面旁插槽陽(yáng)極糊與上插槽陽(yáng)極糊的要求有所不同，前者希望陽(yáng)極糊的流動(dòng)性小一些，而后者則要求具有足夠的流動(dòng)性。   陽(yáng)極塊陽(yáng)極塊是做預(yù)焙槽中的陽(yáng)極，其性能除取決于制取用生糊質(zhì)量外，還

23、取決于成型和焙燒的質(zhì)量?，F(xiàn)代的陽(yáng)極塊一般采取振動(dòng)成型法成型，成型后的產(chǎn)品送至環(huán)式焙燒爐或其他窯中燒成。由于它們加進(jìn)電解槽以前已被預(yù)先焙燒好，所以叫預(yù)焙陽(yáng)極塊。陽(yáng)極塊的質(zhì)量要求如表6。表6 預(yù)焙陽(yáng)極塊質(zhì)量級(jí)別（YS/T 285-1998）牌號(hào)灰分/%電阻率/（·m）熱膨脹率/%CO2反應(yīng)性/mg/(cm2·h)耐壓強(qiáng)度/（N/m2）體積密度/（g/cm3）真密度/（g/cm3）TY-10.5550.4545321.52TY-20.8600.550301.52TY-31650.5555291.4822.鋁電解生產(chǎn)的主要設(shè)備鋁電解槽簡(jiǎn)介    (1)

24、鋁電解槽的演變?cè)阡X電解工業(yè)中，電解槽的大小，一般也稱電解槽的容量，皆以其電流強(qiáng)度的大小表示。鋁電解槽的電流強(qiáng)度，也是經(jīng)歷了由小到大逐步增加的過(guò)程。第二次世界大戰(zhàn)前，世界各國(guó)鋁廠的系列電解槽的電流強(qiáng)度，在2-5萬(wàn)安培，戰(zhàn)后到1952年發(fā)展到6-8萬(wàn)安培。20世紀(jì)80年代初期發(fā)展到15-20萬(wàn)安培，目前則已達(dá)到30萬(wàn)安培以上，并已開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)更大容量的電解槽。   第一階段（初期的預(yù)焙槽）  在鋁電解法投入工業(yè)生產(chǎn)初期，電解槽很小，電流強(qiáng)度低，使用的陽(yáng)極是預(yù)焙的石墨或碳素制成的，陽(yáng)極電流密度高達(dá)6-7A/cm2，電耗增高至90000 kW.h/t鋁，生產(chǎn)成本

25、高，鋁價(jià)昂貴。例如，1888年時(shí)用于生產(chǎn)的是4000A的電解槽，電解槽有一個(gè)方形陽(yáng)極，陽(yáng)極電流密度為6.4A/cm2，槽電壓為10V，電耗為42000kW.h/t鋁。但1933年時(shí)電解槽的電流強(qiáng)度就已經(jīng)達(dá)到55000A，有預(yù)焙陽(yáng)極22塊，陽(yáng)極電流密度降至1.01A/cm2，電耗降至20000 kW.h/t鋁。   第二階段（旁插槽）  早在1923年挪威就開(kāi)始采用8000A的旁插槽。美國(guó)在1927年開(kāi)始用直徑為2.lm、高1.5-1.6m的圓形旁插陽(yáng)極，其電流強(qiáng)度為25000-30000A。以后旁插槽逐漸發(fā)展，直到取代初期預(yù)焙槽。當(dāng)時(shí)的旁插槽具有如下特點(diǎn)

26、：    a.陽(yáng)極數(shù)目少，操作簡(jiǎn)易，能適應(yīng)大一些的電流強(qiáng)度；    b.陽(yáng)極不需預(yù)制，省去了成型和焙燒過(guò)程，無(wú)殘極，陽(yáng)極成本下降；    c.電解槽安裝了密閉裝置，環(huán)保和勞動(dòng)條件有所改善。    圖2是旁插槽的示意圖。   第三階段（上插槽）  上插槽在20世紀(jì)40年代開(kāi)始試用，60年代初期擴(kuò)展到一些產(chǎn)鋁國(guó)家。與旁插槽相比它的優(yōu)點(diǎn)是：    a.導(dǎo)電系統(tǒng)進(jìn)一步有所簡(jiǎn)化；   

27、b.電解槽和陽(yáng)極的操作便于機(jī)械化、自動(dòng)化；    c.集氣罩密閉性好，抽出氣體量小，有利于凈化處理；    d.能適應(yīng)大一些的電流強(qiáng)度。    上插槽也有嚴(yán)重不足之處：    a.電解槽上部結(jié)構(gòu)，陽(yáng)極提升機(jī)等機(jī)械設(shè)備復(fù)雜；    b.二次陽(yáng)極燒結(jié)質(zhì)量不好，影響生產(chǎn)效率，電耗較大，陽(yáng)極事故相對(duì)較多；    c.在集氣罩里的陽(yáng)極側(cè)部易氧化，易產(chǎn)生裂紋和裂縫。    圖3是上插槽的示意圖。&#

28、160;  第四階段（現(xiàn)代預(yù)焙槽）  預(yù)焙槽有兩種類型，一是邊部加料式（如圖5-7所示），一是中間加料式（如圖5-8所示）。初期預(yù)焙槽經(jīng)過(guò)很多改進(jìn)，并用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)行裝備，出現(xiàn)了現(xiàn)代預(yù)焙槽，目前世界上新建鋁廠幾乎全部采用現(xiàn)代預(yù)焙電解槽。它的優(yōu)點(diǎn)是，能適應(yīng)更大的電流強(qiáng)度，電耗更低，上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械化自動(dòng)化程度高，環(huán)保條件好。缺點(diǎn)是有15-20%的殘極需處理，陽(yáng)極要事先預(yù)制好，這就使陽(yáng)極的成本大為提高。圖4和圖5分別為邊部加料預(yù)焙槽和中間加料預(yù)焙槽的示意圖。    （2）鋁電解槽的構(gòu)造簡(jiǎn)介目前世界上有四種類型電解槽，除連續(xù)預(yù)焙陽(yáng)極電解

29、槽外（目前只有法國(guó)一家電解鋁廠），現(xiàn)分別就其余三種類型四種結(jié)構(gòu)的電解槽作簡(jiǎn)要介紹。   陽(yáng)極結(jié)構(gòu)  旁插自焙陽(yáng)極電解槽的陽(yáng)極外有用于陽(yáng)極成型和保護(hù)陽(yáng)極的鋁。鋁殼通常用厚度約為1mm的鋁板制成，沿陽(yáng)極四周?chē)筛?m左右的無(wú)底方箱狀。在生產(chǎn)過(guò)程中鋁殼和陽(yáng)極碳素一起消耗，定時(shí)用鋁鉚釘接合新鋁殼予以補(bǔ)充，陽(yáng)極糊就加在鋁殼箱。陽(yáng)極借助自身的電阻熱和電解質(zhì)熔液傳給的熱量一邊工作，一邊焙燒成型。陽(yáng)極側(cè)下部釘有鋼制陽(yáng)極棒，同時(shí)起導(dǎo)和承載陽(yáng)極質(zhì)量的作用，陽(yáng)極棒隨陽(yáng)極消耗而下降，因此，需進(jìn)行周期性地拔、釘棒工作。最下一排陽(yáng)極棒的頭部卡入一個(gè)特制的U形吊環(huán)，通過(guò)用槽鋼焊成的陽(yáng)

30、極框架與滑輪組吊在陽(yáng)極提升機(jī)的升降裝置上，并通過(guò)四個(gè)金屬支柱支撐包括陽(yáng)極在的整個(gè)上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。    上插自焙陽(yáng)極電解槽陽(yáng)極結(jié)構(gòu)由炭陽(yáng)極、從上部垂直插在陽(yáng)極里的陽(yáng)極棒、陽(yáng)極框套、集氣罩、燃燒器和陽(yáng)極主副提升機(jī)構(gòu)組成。陽(yáng)極主提升機(jī)構(gòu)的螺旋起重器安裝在槽兩端混凝土支柱的橫梁上，陽(yáng)極副提升機(jī)構(gòu)的螺旋起重器固定在水平陽(yáng)極母線上。陽(yáng)極和框套的升降分別由主副提升機(jī)構(gòu)來(lái)完成，二者也可相對(duì)運(yùn)動(dòng)。水平陽(yáng)極鋁母線和工字鋼是電解槽的承重主梁，陽(yáng)極棒的作用不僅導(dǎo)電，還要承載陽(yáng)極的質(zhì)量。    預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽有邊部和中間加料兩種。從上面簡(jiǎn)圖4、圖5可看出，

31、其差別是后者在兩列預(yù)焙陽(yáng)極塊的中間縫上方裝設(shè)有料箱與全套打殼加料（氧化鋁和氟化鹽）裝置。兩種預(yù)焙槽其余陽(yáng)極結(jié)構(gòu)基本一樣。由陽(yáng)極大梁（水平陽(yáng)極鋁母線）、陽(yáng)極升降裝置、預(yù)焙陽(yáng)極塊組和其他輔助部分（如陽(yáng)極卡具、槽罩等）所組成。陽(yáng)極塊、鋁導(dǎo)桿和鑄鋼爪通過(guò)澆鑄磷生鐵把它們聯(lián)結(jié)成一體。陽(yáng)極塊在電解過(guò)程中逐漸消耗，到一定周期就用新的陽(yáng)極塊換下不能用的殘極。殘極碳素部分壓脫后破碎，再返回陽(yáng)極工廠配料制做新陽(yáng)極。   陰極結(jié)構(gòu)  幾種類型的電解槽陰極結(jié)構(gòu)基本一樣，電解槽下部金屬槽殼和槽殼的裝砌部分屬陰極結(jié)構(gòu)。槽殼分為無(wú)底和有底兩種。因此，鋁電解槽又有無(wú)底槽和有底槽之分，無(wú)

32、底槽通常是用地腳螺栓固定在混凝土基礎(chǔ)上，而有底槽槽殼通常又分為臂撐式、框架式和搖籃式三種，其目的是要讓陰極槽殼鋼結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度。    鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)通常由槽基礎(chǔ)、鋼槽殼、槽襯隔熱保溫與絕緣材料、槽襯碳素材料（側(cè)部炭塊、陰極炭塊組等）、陰極母線等組成。    3.國(guó)外鋁工業(yè)技術(shù)發(fā)展    (1)鋁電解槽槽型分布情況工業(yè)鋁電解槽分為自焙陽(yáng)極鋁電解槽和預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽兩種。自焙陽(yáng)極鋁電解槽又分為上插式自焙槽和旁插式自焙槽。    霍爾一埃魯鋁電解工藝自發(fā)明一百多年來(lái)，經(jīng)歷了預(yù)

33、焙一自焙一預(yù)焙槽的發(fā)展歷程，尤其是近50年來(lái)，隨著世界鋁工業(yè)科技的不斷進(jìn)步，鋁電解槽從落后的50-60kA側(cè)插自焙陽(yáng)極電解槽逐步發(fā)展到今天擁有各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的超大容量預(yù)焙陽(yáng)極電解槽。高效節(jié)能、自動(dòng)化程度高、環(huán)境保護(hù)效果好的大型點(diǎn)式下料預(yù)焙陽(yáng)極電解槽的采用，極促進(jìn)了世界原鋁工業(yè)的迅猛發(fā)展。表7列出了1996年全球電解鋁廠采用的技術(shù)。表7 1996年全球電解鋁廠采用的技術(shù)地區(qū)總產(chǎn)能/kt現(xiàn)代預(yù)焙槽鋁廠預(yù)焙槽鋁廠上插槽鋁廠旁插槽鋁廠美國(guó)3973315279.541810.540310經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織加拿大206011915723011.150824.71316.4其余國(guó)家5585197535.6297

34、052.964011.5合計(jì)7645316641.4320041.91148151311.7東歐432151812110325.5205247.564815發(fā)展中國(guó)家歐佩克9405656037540非洲141588062.236525.817012南美235245019.1144161.338016.1813.4中國(guó)、印度與太平洋周邊國(guó)家262860323133850.91937.349418.8合計(jì)733524983435194876610.45757.6總計(jì)23274618226.61097442.2438418.817577.4    (2)電解鋁工業(yè)的技術(shù)

35、發(fā)展世界電解鋁工業(yè)技術(shù)從1948年到1998年50年來(lái)，由50-60kA自焙槽發(fā)展到先進(jìn)的大容量預(yù)焙槽，達(dá)到的技術(shù)水平和取得的經(jīng)濟(jì)效果，主要幾點(diǎn)如下：    a.電解槽容量由50-60kA經(jīng)過(guò)40年發(fā)展到300-325kA;    b.電流效率由85提高到95左右；    c.直流電耗由每噸鋁18500-19000kW.h降低到12900-14000kW.h;    d.電解槽的單位面積產(chǎn)鋁量增加了5-10倍；    e.槽壽命由50年前的600

36、天提高到2500-3000天；    f.由于上述的技術(shù)進(jìn)步，50年來(lái)，每噸鋁的絕對(duì)成本降低了400美元。    國(guó)際上高效節(jié)能大型現(xiàn)代化預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽系列已達(dá)到了下列指標(biāo)：    電解槽容量       180-300kA    電流效率        94.5    單槽日產(chǎn)原鋁量  

37、;1361kg    直流電耗        （13300±200)kW.h/t Al    陽(yáng)極凈耗         400kg/t Al    陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)    0.2次（槽舊）    陰極壓降      

38、0; 0350 V    槽壽命          3000天    氟化物排放量     0.5-1.0kg/t AI    中國(guó)鋁電解技術(shù)水平自20世紀(jì)80年代起有了很大的提高，在學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，中國(guó)自行開(kāi)發(fā)和應(yīng)用了160kA, 180kA, 200kA系列電解槽成套技術(shù)和裝備，并且研制開(kāi)發(fā)了超大容量280kA和320kA工業(yè)試驗(yàn)鋁電解槽技術(shù)，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)正朝著

39、世界先進(jìn)水平邁進(jìn)。    當(dāng)前中國(guó)成熟、先進(jìn)的大型預(yù)焙鋁電解槽各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下：    電解槽容量            186-200kA    電流效率              >93    單槽日產(chǎn)原鋁量 

40、60;      >1392kg    直流電耗              （13450±100)kW.h/t AI    陽(yáng)極凈耗              430-450kg/t Al  &

41、#160; 陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)          0.3次/（槽·日）    槽壽命                1500-1800天    氟化物排放量          1.0kg/t Al 

42、;   4.鋁電解生產(chǎn)環(huán)境保護(hù)    (1)電解鋁生產(chǎn)有害煙氣對(duì)環(huán)境的影響  近年來(lái)，入們對(duì)霍爾一埃魯鋁電解法生產(chǎn)過(guò)程中逸出的有害煙氣與煙塵給全球，本地區(qū)以與周?chē)h(huán)境造成的嚴(yán)重污染越來(lái)越重視。電解鋁生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的有害煙氣主要是CO2，以與以HF氣體為主的氣一固氟化物（包括陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生時(shí)排出的CF4和C2F6）、PAH（多環(huán)芳香烴）、SO2等。最近，近代鋁電解槽環(huán)境污染與治理技術(shù)水平的最新觀點(diǎn)指出了這些有害煙氣對(duì)環(huán)境的影響。    上插自焙陽(yáng)極電解槽陽(yáng)極結(jié)構(gòu)由炭陽(yáng)極、從上部垂直插在陽(yáng)極里的陽(yáng)極棒、陽(yáng)極框套、

43、集氣罩、燃燒器和陽(yáng)極主副提升機(jī)構(gòu)組成。陽(yáng)極主提升機(jī)構(gòu)的螺旋起重器安裝在槽兩端混凝土支柱的橫梁上，陽(yáng)極副提升機(jī)構(gòu)的螺旋起重器固定在水平陽(yáng)極母線上。陽(yáng)極和框套的升降分別由主副提升機(jī)構(gòu)來(lái)完成，二者也可相對(duì)運(yùn)動(dòng)。水平陽(yáng)極鋁母線和工字鋼是電解槽的承重主梁，陽(yáng)極棒的作用不僅導(dǎo)電，還要承載陽(yáng)極的質(zhì)量。    預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽有邊部和中間加料兩種。從上面簡(jiǎn)圖4、圖5可看出，其差別是后者在兩列預(yù)焙陽(yáng)極塊的中間縫上方裝設(shè)有料箱與全套打殼加料（氧化鋁和氟化鹽）裝置。兩種預(yù)焙槽其余陽(yáng)極結(jié)構(gòu)基本一樣。由陽(yáng)極大梁（水平陽(yáng)極鋁母線）、陽(yáng)極升降裝置、預(yù)焙陽(yáng)極塊組和其他輔助部分（如陽(yáng)極卡具、槽罩等

44、）所組成。陽(yáng)極塊、鋁導(dǎo)桿和鑄鋼爪通過(guò)澆鑄磷生鐵把它們聯(lián)結(jié)成一體。陽(yáng)極塊在電解過(guò)程中逐漸消耗，到一定周期就用新的陽(yáng)極塊換下不能用的殘極。殘極碳素部分壓脫后破碎，再返回陽(yáng)極工廠配料制做新陽(yáng)極。   陰極結(jié)構(gòu)  幾種類型的電解槽陰極結(jié)構(gòu)基本一樣，電解槽下部金屬槽殼和槽殼的裝砌部分屬陰極結(jié)構(gòu)。槽殼分為無(wú)底和有底兩種。因此，鋁電解槽又有無(wú)底槽和有底槽之分，無(wú)底槽通常是用地腳螺栓固定在混凝土基礎(chǔ)上，而有底槽槽殼通常又分為臂撐式、框架式和搖籃式三種，其目的是要讓陰極槽殼鋼結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度。    鋁電解槽陰極結(jié)構(gòu)通常由槽基礎(chǔ)、鋼槽殼、槽襯

45、隔熱保溫與絕緣材料、槽襯碳素材料（側(cè)部炭塊、陰極炭塊組等）、陰極母線等組成。    3.國(guó)外鋁工業(yè)技術(shù)發(fā)展    (1)鋁電解槽槽型分布情況工業(yè)鋁電解槽分為自焙陽(yáng)極鋁電解槽和預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽兩種。自焙陽(yáng)極鋁電解槽又分為上插式自焙槽和旁插式自焙槽。    霍爾一埃魯鋁電解工藝自發(fā)明一百多年來(lái)，經(jīng)歷了預(yù)焙一自焙一預(yù)焙槽的發(fā)展歷程，尤其是近50年來(lái)，隨著世界鋁工業(yè)科技的不斷進(jìn)步，鋁電解槽從落后的50-60kA側(cè)插自焙陽(yáng)極電解槽逐步發(fā)展到今天擁有各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的超大容量預(yù)焙陽(yáng)極電解槽。高效節(jié)能、自動(dòng)化程度高、環(huán)境保

46、護(hù)效果好的大型點(diǎn)式下料預(yù)焙陽(yáng)極電解槽的采用，極促進(jìn)了世界原鋁工業(yè)的迅猛發(fā)展。表7列出了1996年全球電解鋁廠采用的技術(shù)。表7 1996年全球電解鋁廠采用的技術(shù)地區(qū)總產(chǎn)能/kt現(xiàn)代預(yù)焙槽鋁廠預(yù)焙槽鋁廠上插槽鋁廠旁插槽鋁廠美國(guó)3973315279.541810.540310經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織加拿大206011915723011.150824.71316.4其余國(guó)家5585197535.6297052.964011.5合計(jì)7645316641.4320041.91148151311.7東歐432151812110325.5205247.564815發(fā)展中國(guó)家歐佩克9405656037540非洲1415

47、88062.236525.817012南美235245019.1144161.338016.1813.4中國(guó)、印度與太平洋周邊國(guó)家262860323133850.91937.349418.8合計(jì)733524983435194876610.45757.6總計(jì)23274618226.61097442.2438418.817577.4    (2)電解鋁工業(yè)的技術(shù)發(fā)展世界電解鋁工業(yè)技術(shù)從1948年到1998年50年來(lái)，由50-60kA自焙槽發(fā)展到先進(jìn)的大容量預(yù)焙槽，達(dá)到的技術(shù)水平和取得的經(jīng)濟(jì)效果，主要幾點(diǎn)如下：    a.電解槽容量由50-

48、60kA經(jīng)過(guò)40年發(fā)展到300-325kA;    b.電流效率由85提高到95左右；    c.直流電耗由每噸鋁18500-19000kW.h降低到12900-14000kW.h;    d.電解槽的單位面積產(chǎn)鋁量增加了5-10倍；    e.槽壽命由50年前的600天提高到2500-3000天；    f.由于上述的技術(shù)進(jìn)步，50年來(lái)，每噸鋁的絕對(duì)成本降低了400美元。    國(guó)際上高效節(jié)能大型現(xiàn)代化預(yù)焙陽(yáng)極鋁電

49、解槽系列已達(dá)到了下列指標(biāo)：    電解槽容量       180-300kA    電流效率        94.5    單槽日產(chǎn)原鋁量  1361kg    直流電耗        （13300±200)kW.h/t Al