電解鋁知識(shí)講座(一章 基礎(chǔ)知識(shí))

電解鋁知識(shí)講座第一章鋁電解的基本理論2021/6/271

鋁的性質(zhì)及用途1.鋁是地球上含量及其豐富的金屬元素，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。2.鋁是銀白色金屬，具有一系列良好的性能，純鋁熔點(diǎn)為660℃，沸點(diǎn)2500℃,2021/6/272

鋁的性質(zhì)和用途2021/6/273

鋁的外特性：（鋁有美麗的銀白色的光澤，工業(yè)被稱譽(yù)為“萬能金屬”）1、鋁是輕金屬的一種，常溫下的密度為2.7克/立方厘米（克每立方厘米），是銅和鋼鐵的三分之一；2、鋁有良好的防腐蝕性；3、鋁是一種良好的導(dǎo)電材料，而且鋁的純度越高，導(dǎo)電性能越好，是銅導(dǎo)電率的62~65%，用鋁作導(dǎo)電材料既經(jīng)濟(jì)又輕便。4、鋁具有良好的導(dǎo)熱和反光性能，是一種制造反光鏡和保溫器的良好材料；5、鋁具有良好的延展性和可塑性；6、鋁的再利用率高；7、鋁易與其他金屬組成合金。2021/6/274鋁的性質(zhì)主要物理性質(zhì)原子系數(shù)13原子量26.98154化合價(jià)3密度（克/厘米3）純度99.97%20℃固態(tài)—2.699（~2.7）

660℃液臺(tái)—2.3

1000℃液態(tài)—2.289

比熱焦/克.開固態(tài)0.8996熔點(diǎn)（℃）純度99.97%660沸點(diǎn)（℃）2500熔化熱（焦/克.開）397.06電子當(dāng)量（克/安培.小時(shí)）0.33562021/6/275鋁的用途：

由于鋁及其合金具有以上如此多種性能，而且產(chǎn)量在不斷增長(zhǎng)，所以在現(xiàn)代國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，成為僅次于鋼、鐵的第二大金屬。它的用途主要有：可做輕型結(jié)構(gòu)材料、建筑工業(yè)材料、電氣工業(yè)材料、耐腐蝕材料、食品包裝材料等。2021/6/276①包裝食品醫(yī)用飲料

1鋁的特性與用途一、鋁電解生產(chǎn)概論2021/6/277②建筑：高層建筑、室內(nèi)裝修和新型橋梁等

1鋁的特性與用途一、鋁電解生產(chǎn)概論2021/6/278

1鋁的特性與用途②建筑：一、鋁電解生產(chǎn)概論2021/6/279③交通運(yùn)輸汽車高速列車飛機(jī)輪船

1鋁的特性與用途一、鋁電解生產(chǎn)概論2021/6/2710

1鋁的特性與用途③交通運(yùn)輸一、鋁電解生產(chǎn)概論2021/6/2711

1鋁的特性與用途③交通運(yùn)輸一、鋁電解生產(chǎn)概論2021/6/2712

1鋁的特性與用途③交通運(yùn)輸一、鋁電解生產(chǎn)概論2021/6/2713

1鋁的特性與用途③交通運(yùn)輸一、鋁電解生產(chǎn)概論2021/6/2714鋁電解生產(chǎn)的基本原理2021/6/2715

現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)，普遍采用冰晶石—氧化鋁熔鹽電解法，它的主要設(shè)備是鋁電解槽。其原理是以冰晶石—氧化鋁熔體為電解質(zhì)，炭素材料為兩極，強(qiáng)大的直流電由陽極導(dǎo)入，經(jīng)過電解質(zhì)與鋁液層，而后從陰極導(dǎo)出到電源。溶解的氧化鋁

通入直流電（960℃）

液態(tài)鋁(陰極）+氣態(tài)物質(zhì)（陽極）

2021/6/2716通入直流電的目的?一方面是利用它的熱能將冰晶石熔化呈熔融狀態(tài)，并保持恒后的電解溫度；另一方面是要實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，也就是使電解質(zhì)中的鋁離子從陰極上得到電子而析出，從而得到鋁液，氧離子則在陽極上放電生成一氧化碳、二氧化碳的混合氣體，最后通過集氣回收。在陰極上得到的液態(tài)鋁，隨著電解過程的不斷進(jìn)行，鋁量不斷增多，然后周期性的從電解槽中用真空抬包吸出，運(yùn)往鑄造部經(jīng)過凈化配料處理，澆注成商品鋁錠。2021/6/2717鋁液在電解槽的生產(chǎn)及吸出原理示意圖2021/6/2718鋁電解質(zhì)及其性質(zhì)2021/6/2719什么是現(xiàn)代鋁工業(yè)用鋁電解質(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)。2021/6/2720現(xiàn)代鋁工業(yè)用鋁電解質(zhì)的組成

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，其中冰晶石占百分之八十五，還有，氟化鈉，氟化鐵，氟化硅等。

2021/6/2721電解質(zhì)的摩爾比（分子比）冰晶石中所含氟化鈉摩爾數(shù)與氟化鋁摩爾數(shù)之比為冰晶石的摩爾比,俗稱分子比。

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1.5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)。2021/6/2722鋁電解質(zhì)的性質(zhì):1.初晶溫度;2.密度;3.粘度;4.導(dǎo)電度;5.表面性質(zhì);6.揮發(fā)性;2021/6/2723什么是鋁電解質(zhì)的熔點(diǎn)(初晶溫度)?

在鋁電解生產(chǎn)中所用的純鹽類都有固定的熔點(diǎn)，即熔融液體開始有固體析出的溫度，也叫初晶溫度。為什么電解溫度一般要高于初晶點(diǎn)?

電解溫度=初晶溫度(熔點(diǎn))+(15—-20)℃，即電解溫度一般要高出初晶溫度15—20℃。2021/6/2724電解溫度主要取決于什么?

在電解過程中，電解溫度除與極距電壓降大小有關(guān)外，主要取決于電解質(zhì)的熔點(diǎn)。欲想保持低溫電解生產(chǎn)，不設(shè)法降低電解質(zhì)的熔點(diǎn)而單純降低電解過程溫度，必然會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)過冷，引起病槽，影響生產(chǎn)。

2021/6/2725電解質(zhì)的密度在電解槽正常生產(chǎn)過程中，上層是電解質(zhì)，下層是鋁液。由于它們之間的密度差異所致。在電解溫度（950℃）下鋁的比重（2.302克/立方厘米），大于含有5%氧化鋁的冰晶石（即電解質(zhì)）的比重（2.102克/立方厘米）。2021/6/2726什么叫電解質(zhì)的粘度?

所謂粘度是液體中的質(zhì)點(diǎn)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力，也稱內(nèi)部摩擦，

電解質(zhì)粘度主要取決于電解質(zhì)的成份和溫度。

電解質(zhì)粘度隨溫度升高而降低。

氧化鋁增大電解質(zhì)的粘度，但在電解質(zhì)中氧化鋁含量在10%以內(nèi)時(shí)影響其粘度變化較小，超過10%時(shí)，則電解質(zhì)的粘度開始顯著上升。

另外，電解質(zhì)的分子比也能降低電解質(zhì)的粘度，添加氟化鈣能使其粘度增大，氟化鈉和氟化鋰使電解質(zhì)粘度減小。

2021/6/2727在電解生產(chǎn)中，電解質(zhì)的導(dǎo)電率（導(dǎo)電度）與哪些因素有關(guān)?

在電解生產(chǎn)中，電解質(zhì)的導(dǎo)電率受到多方面的影響。

①與電解溫度有關(guān)。溫度越高，離子運(yùn)動(dòng)越快，導(dǎo)電率增加。但是電解溫度高，會(huì)造成電流效率降低，能耗和原材料增加，因而提高導(dǎo)電率的效益補(bǔ)償不了降低電流效率和其它的損失。

②與電解質(zhì)分子比有關(guān)。導(dǎo)電率隨分子比的增加而增加。

③與Al2O3濃度有關(guān)。電解質(zhì)的導(dǎo)電率隨Al2O3濃度的增加而降低。

2021/6/2728④與電解質(zhì)中的炭粒有關(guān)。當(dāng)電解溫度高時(shí)，會(huì)使電解質(zhì)中炭粒含量增多，炭含量增多時(shí)不僅使電解質(zhì)的導(dǎo)電率降低，還能減少電解質(zhì)對(duì)Al2O3晶體的濕潤(rùn)性，從而也會(huì)造成氧化鋁沉淀。

⑤與電解質(zhì)中的添加劑有關(guān)。添加劑對(duì)于冰晶石導(dǎo)電率的影響，可分為兩類；向電解質(zhì)中添加氟化鋰和氟化鈉能改善電解質(zhì)的導(dǎo)電性，特別是氟化鋰效果顯著。向電解質(zhì)中添加氟化鈣和氟化鎂能降低電解質(zhì)的導(dǎo)電度，但它們能使炭渣好分離，減少電解質(zhì)中的炭粒含量，可使電解質(zhì)的導(dǎo)電性較好，間接地增加導(dǎo)電率。

2021/6/2729表面性質(zhì)

（1）表面張力；（2）濕潤(rùn)性。

2021/6/2730(1)表面張力：表面張力：熔體（液體）的表面質(zhì)點(diǎn)（分子、原子或離子）所受的力與熔體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)不同，熔體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)受其周圍質(zhì)點(diǎn)的作用力（斥力或引力）是對(duì)稱，合力為零。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。2021/6/2731（2）濕潤(rùn)性

濕潤(rùn)性。是表示液相對(duì)固相的濕潤(rùn)能力。液相對(duì)固相表面的濕潤(rùn)程度取決于其表面張力的大小。實(shí)踐證明，電解質(zhì)熔體隨Al2O3濃度樣增加，對(duì)碳素材料的濕潤(rùn)性變好，在有鋁存在的情況下，電解質(zhì)對(duì)碳素材料的濕潤(rùn)性也有所改善，在生產(chǎn)中，要求電解質(zhì)對(duì)陽極的濕潤(rùn)性要適當(dāng)好些，對(duì)陰極的濕潤(rùn)性要差，電解質(zhì)對(duì)陽極的濕潤(rùn)好，可以使陽極氣體迅速脫離陽極表面，減小所膜電阻，但也宜太好，太好會(huì)造成電解質(zhì)中的碳渣分離困難，電解質(zhì)對(duì)陰極濕潤(rùn)性差，可以有效阻止電解質(zhì)向陰極內(nèi)襯中滲透，減輕爐底破損。2021/6/2732液體對(duì)固體的濕潤(rùn)角液體NM固相液體NM固相θ>90°表示液體對(duì)固體的濕潤(rùn)性不良，角越大，濕潤(rùn)性越差。θ<90°則表示液體對(duì)固體的濕潤(rùn)性好，角越小，濕潤(rùn)性越好。濕潤(rùn)性2021/6/2733影響電解質(zhì)濕潤(rùn)性的因素：1.電流密度和鋁的影響。2.氧化鋁濃度的影響。3.冰晶石物質(zhì)數(shù)量的影響。4.碳素材質(zhì)的影響。5.炭陽極中添加鋰鹽的影響。6.炭陰極上硼化鈦的影響。濕潤(rùn)性2021/6/2734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)排出（蒸發(fā)）的程度。在生產(chǎn)當(dāng)中，要求電解質(zhì)的揮發(fā)性要小，一是可以減小冰晶石的揮發(fā)損失，二是可以減小有害物的排放對(duì)人體減少危害，并減輕環(huán)境污染。2021/6/2735添加劑對(duì)電解質(zhì)的影響:能滿足電解生產(chǎn)添加劑的條件為；1.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。2.能夠?qū)﹄娊赓|(zhì)的性質(zhì)有所改善。3.對(duì)氟化鋁溶解度的影響不能太大，吸水性和揮發(fā)性要小。4.來源廣泛，價(jià)格要低廉等。2021/6/2736能夠部分滿足上述要求的添加劑有，氟化鋁，氟化鈣，氟化鎂，氟化鋰，氟化鈉。常用添加劑的優(yōu)點(diǎn)；都具有降低電解質(zhì)初晶溫度的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是降低氧化鋁在電解質(zhì)中的溶解度，和溶解速度。2021/6/2737鋁電解過程中兩極副反應(yīng)都是什么?

在冰晶石一氧化鋁熔鹽鋁電解過程中，在電解析出鋁的同時(shí)，在兩極上還伴隨發(fā)生一些重要的過程和現(xiàn)象，因這些過程和現(xiàn)象對(duì)生產(chǎn)有害無益，所以稱為兩極副反應(yīng)，

在陰極副反應(yīng)中有金屬鈉的析出，陰極鋁的再溶損失，炭化鋁的生成；

在陽極副反應(yīng)中有陽極效應(yīng)、陽極氣體成分的變化2021/6/27381.陰極副反應(yīng)；1.鋁的溶解反應(yīng)，金屬鋁殼部分溶解在冰晶石熔體中。2.金屬鈉的折出，在陰極的主反應(yīng)是折出鋁而不是鈉，因?yàn)殁c的折出電位比鋁的低。3.碳化鋁的生產(chǎn)，在高溫條件下鋁可與碳發(fā)生反應(yīng)生成碳化鋁。2021/6/2739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)期電流密度達(dá)到一定值后稱為臨界電流密度，槽電壓聚升，可從幾伏，增至幾十伏，陽極附近出現(xiàn)電弧光和噼啪聲，這一現(xiàn)象稱為陽極效應(yīng)。2021/6/2740陽極效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理學(xué)有哪些?1.濕潤(rùn)性理論。2.氟離子放電理論。3.靜電引力理論。4.綜合理論。2021/6/2741

該理論認(rèn)為發(fā)生陽極效應(yīng)是由于電解液對(duì)陽極的濕潤(rùn)性改變所致。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(rùn)性很好，陽極過程中產(chǎn)生的氣泡很容易從陽極上排擠掉；當(dāng)氧化鋁濃度降低時(shí)，電解液對(duì)陽極的濕潤(rùn)性變壞，陽極上的氣泡不易被排開，于是小氣泡合并成大氣泡，最終在陽極底掌形成一個(gè)氣膜層，從而發(fā)生陽極效應(yīng)。在發(fā)生陽極效應(yīng)時(shí)，向電解質(zhì)中添加氧化鋁，電解液對(duì)陽極的濕潤(rùn)性重新變好，于是陽極氣膜遭到破壞，效應(yīng)熄滅，恢復(fù)正常電解過程。

陽極效應(yīng)機(jī)理－濕潤(rùn)性理論2021/6/27422021/6/2743陽極效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理學(xué)--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（0.4～2%），而效應(yīng)發(fā)生時(shí)，四氟化碳?xì)怏w含量上升到15～35%。

2021/6/2744

理論認(rèn)為，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)（2%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。

2021/6/2745陽極效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理學(xué)--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—?dú)怏w之間的靜電引力所引起。在含氧化合物的電解質(zhì)是氣泡帶正電荷，所以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。2021/6/2746陽極效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理學(xué)--綜合理論這種理論是一、二種理論的綜合，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(rùn)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(rùn)性驟然惡化，于是發(fā)生了陽極效應(yīng)。2021/6/2747

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（0.5～1.0%）發(fā)生；當(dāng)電解質(zhì)溫度過低時(shí)，效應(yīng)可在2%左右濃度下發(fā)生，若電解質(zhì)過熱時(shí)，不發(fā)生陽極效應(yīng)。2021/6/2748

陽極效應(yīng)發(fā)生的機(jī)