铝电解生产流程
铝电解生产流程
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，氧化铝是溶质被溶解，以碳素作为阳极（预焙阳极块），铝液作为阴极，通入直流电流后，在940℃～970℃下，电解槽两极上进行电化学反应，即电解。阳极产物主要是二氧化碳，和一氧化碳气体，但其中含有一定量的氟化氢（HF）等有害气体和固体粉尘，须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。阴极产物是铝液，铝液通过真空抬包从槽内抽出，送往铸造车间，在混合炉内净化澄清之后，浇注成铝锭，或生产成线坯，型材等。其生产工艺流程图如下图3－1：
氧化铝 氟化铝 碳阳极
直流电
阳极气体
铝液
废气排空 返
电
解
槽
载氟氧化铝
铝 锭
合金、线坯
图3－1 铝电解生产工艺流程图
第二节 铝电解生产原辅材料
1. 氧化铝：
氧化铝通常称为“铝氧”，是一种白色粉状物，熔点为2050℃，沸点为3000℃，真密度为3.6g/cm3。它的流动性好，不溶于水，能溶解在熔融的冰晶石中。它是铝电解生产的中的主要原料。
氧化铝在电解生产中的作用是：a. 不断地补充电解质中的铝离子，使其浓度保持在一定的范围内，保证电解生产的持续进行；b.氧化铝覆盖在电解质壳面上可以起到良好的保温作用，覆盖在阳极炭块的氧化；c.在烟气净化系统中充当吸附剂，用来吸附阳极气体中的氟化氢（HF）气体。
在化学纯度方面，要求氧化铝中杂质含量和水份要低。因为氧化铝中那些电位正于铝元素的氧化物，例如SiO2(二氧化硅)和Fe2O3(氧化铁)，在电解过程中会被铝还原，或者优先于铝离子在阴极析出。析出的硅、铁，进入铝内，降低铝的品位，而那些电位负于铝元素的氧化物，如Na2O、CaO（氧化钙）会分解冰晶石，一是引起氟化盐消耗，二是增加铝中的氢含量，三是产生氟化氢气体，污染环境。P2O3（五氧化二磷）会影响电流效率。氧化铝的化学成分要求见表3-1。
表3-1 我国氧化铝质量标准（YB814-75）
等级
代号 化学成份（％）
Al2O3含量
不少于 杂质含量不大于
SiO2 Fe2O3 Na2O 灼碱
一级
二级
三级
四级
五极
六级 Al2O3—1
Al2O3—2
Al2O3—3
Al2O3—4
Al2O3—5
Al2O3—6 98.6
98.5
48.4
98.3
98.2
97.8 0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.15 0.03
0.04
0.04
0.05
0.05
0.06 0.50
0.55
0.60
0.60
0.60
0.70 0.8
0.8
0.8
1.0
1.0
1.2
除化学成分外，中心下料预焙槽对氧化铝的物理性能也有非凡要求:
a. 具有较小的吸水性，在电解质中溶解性好；
b．粒度适宜，加料时飞扬损失少，能严密地覆盖在阳极炭块上，防止阳极在空气中氧化；
c. 保温性能好，活性大，从而能有效地吸收HF气体。
d. 安息角：35～38°。
根据氧化铝的物理性能不同，可分为三类：砂状、粉状和中间状，下表3－2列出三种氧化铝的特性。
表3-2不同类型氧化铝的特性
氧化铝类型 安息角（°） 灼减（％） 累 计 （％）
-44μm -74μm
砂状
中间状
粉状 30
40
45 1.0
0.5
0.5 5 -15
30-40
50-60 40-50
60-70
80-90
因为砂状氧化铝具有流动性好，溶解快，对氟化氢气体吸附能力强等优点，正好满足预焙槽的生产。生产一吨铝所需要氧化铝，从理论上计算为1889公斤，实际上由于氧化铝不纯及运输，加工时的损失，生产一吨铝实际需要氧化铝约1925～1940公斤氧化铝。
2. 氟化盐：
铝电解生产中所用氟化盐主要是冰晶石和氟化铝，其次有一些用来调整和改善电解质性质的添加剂，如：氟化镁、氟化锂、氟化钙、氟化钠。
⑴ 冰晶石
冰晶石分天然和人造两种，由于天然冰晶石在自然界中储量很少，不能满足工业之用，故铝工业均用人造冰晶石。冰晶石分子式为Na3AlF6,或写成为3NaF•AlF3。人造冰晶石的质量标准如表3-3。
表3-3 工业用氟化铝标准（GB4292-84）
级别 化学成份（％）
F
不小于 Al
不小于 Na
不大于 SiO2 F2O3
不大于 SO42-
不大于 H2O
不大于 P2O5
不大于
一级
二级 61
60 30
30 4
5 0.40
0.50 1.2
1.5 7.0
7.5 0.05
0.05
⑵ 氟化钙
氟化钙分子式为CaF2, 其俗名为萤石粉，是一种经过精选品位很高的天然矿物质。在正常的铝电解生产中，往电解质中添加一定数量的氟化钙能降低电解质的熔点，多被用于电解槽启动前装炉，其作用是对炉帮形成有好处，可形成比较坚固的炉帮。
⑶ 氟化钠
氟化钠的分子式为NaF, 是一种白色粉末，易溶于水。是铝电解质的一种添加剂，用以调整由于新槽的炭素内衬选择性吸收钠盐及装炉时装入大量低分子比冰晶石所造成的分子比下降。一般由于新槽开动也用碳酸钠（曹达）代替氟化钠，这样更加经济且能加速电解质的沸腾与循环，有助于电解质成份均匀。
⑷ 氟化锂
氟化锂分子式为LiF，是铝电解生产的一种良好的添加剂，它可以降低电解质的初晶温度，增加电解质的导电度，改善电解质的性质，比氟化镁、氟化钙效果更显著，但氟化锂比较昂贵，铝电解厂有时用碳酸锂（Li2CO3）代替氟化锂，降低成本。
3.阳极材料:
在铝电解生产过程中，阳极是在高温下与具有很强侵蚀性的冰晶石熔液直接接触，能够受这种侵蚀又有良好的导电性，价格低廉的材料唯有炭素材料。预焙阳极块是预焙电解槽的阳极材料，它是由焦炭按不同的粒度组成，与一定比例的沥青配料、混捏，振动成型，经过高温焙烧而成。
为了保证阳极块上槽后，电解生产能够顺利进行，对预焙阳极块必须有严格的质量要求, 预焙阳极块的理化标准见表3－4。
表3－4 预焙阳极块的理化标准（YS/T285-1998）
牌号 灰份％ 电阻率
µΩ.m 耐压强度MPa 体积密度g/cm3 真密度
g/ cm3
不大于 不小于
TY-1 0.50 55 32 1.50 2.00
TY-2 0.80 60 30 1.50 2.00
TY-3 1.00 65 29 1.48 2.00
除理化指标外，在外观上也有严格要求：
a.成品表面粘接的填充料必须清理干净。
b.成品表面的氧化面积不大于该表面面积的20％，深度不得超过5mm。
c.成品掉棱长度不大于300mm，深度不大于60mm,不得多于两处。
d.棒孔或孔边缘裂纹长度不大于80mm，孔与孔之间不能有连通裂纹。
e.大面裂纹长度不大于200mm，数量不多于3处。
组装后的碳块，外观要求：
a.铝导杆弯曲度不大于15mm；
b.组件焊缝不脱焊，爆炸焊片不开缝；
c.磷铁浇注饱满平整，无灰渣和气泡。
碳阳极除了上面理化指标外，在化学成分上也应有严格要求，杂质含量应尽量少，非凡是铁、硅、矾、钛、镍、硫等氧化物。这些杂质不仅影响碳阳极理化指标，而且会在电解过程中进入铝液而影响铝的纯度或影响电流效率，对生产不利。
