年产20万吨铝锭300kA预焙阳极铝电解车间设计

毕业设计 年产20万吨铝锭300kA预焙阳极铝电解车间设计 摘要 当今的铝电解工业正在向着槽容量大型化发展。大型预焙阳极铝电解槽上通过的强大电流会产生强大的磁场,磁场与电解质及铝液中的电流相互作用产生强大的电磁力,使铝液发生循环流动。这不仅会降低电流效率,也给生产操作带来一定困难。铝液流场分布的好坏对电流效率、吨铝电耗、阳极消耗、槽寿命、阳极效应系数等生产指标有着重要影响。因此,对铝液流场进行仿真具有重要的研究意义和实用价值。本文针对不同槽膛内形计算出相应的铝液流场。总结归纳300kA铝电解槽铝液流场的分布规律,并分析产生各种结果的原因。这些结论可以为铝电解槽的生产操作和优化设计提供理论依据。 关键词：300kA；铝电解槽；双阳极；大面五点进电； The design of 300 kA pre-baked anode electrolytic work shop with an annual output of 200,000 tons of aluminum ingots Abstract The electrolytic aluminum industry is towards the development of large scale tank capacity. Large scale prebaked anode aluminum electrolytic tank by the strong currents will generate a strong magnetic field, magnetic field and the electrolyte and aluminum liquid in the current interactions generate powerful electromagnetic force, so that the aluminum liquid circulating flow. This will not only reduce the current efficiency, but also bring some difficulties. The quality of aluminum liquid flow field distribution on current efficiency, energy consumption, tons of aluminum anode consumption, service life of the cell, the anode effect coefficient has an important effect on the production index. Therefore,it is very significant to research Aluminum liquid flow by simulating. According to different slot bore shape to calculate the flow field of molten aluminum to summary of 300kA aluminum electrolytic aluminum liquid flow distribution and analyse various results. These conclusions can provide aluminum electrolyzer production operation and theoretical basis for optimal design. Key words: 300kA；aluminium electrolysis cell；Double anode；Bedding face five into electricity 目 录 1摘要 2Abstract 11 绪论 11.1 铝电解工业的概述 11.2 现代铝电解技术 31.3 国内外铝工业现状与发展 31.3.1 国外铝工业的现状 51.3.2 我国铝工业的发展状况 141.4 铝电解的发展趋势 141.4.1 世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化 151.4.2 铝电解槽日趋大型化或超大型化，其科技含量、智能化程度越来越高 151.4.3 电解铝生产的技术经济指标向着高产、优质、低耗、长寿和低污染的方向加快进步 151.4.4 世界铝工业向电力充裕廉价、铝土矿资源丰富的地区转移 172 厂址的选择与论证 172.1 工业布局问题 172.2 原材料供应及交通运输条件 172.3 供水、供电条件 172.4 环境保护和节约用地问题 182.5 厂址的工程地质及水文地质条件 182.6 厂址的协作条件 193. 工艺设计 193.1 电解铝生产 193.1.1 铝电解的基本原理 203.1.2 铝电解的生产系统、工艺流程 213.1.3 电解铝生产原料 253.1.4 主要技术经济指标的选择论证 263.2 槽型的选择论证 273.3 主要技术条件及技术经济指标的选择论证 273.3.1 电解质成分 293.3.2 电解质温度 313.3.3 电流效率 343.3.4 极距 343.3.5 阳极电流密度 353.3.6 铝液水平、电解质水平、阳极效应系数 363.5 主要技术经济指标的确定 363.6 铝电解槽结构常数的选择与结构计算 393.7 槽膛尺寸 403.8 阴极结构 423.9 槽衬、槽底、砌筑材料尺寸的确定 433.10 电解槽导电部件的确定与计算 483.11 主要技术经济指标的确定 504. 综合技术经济指标的计算 504.1 单槽日产量 504.2 电解槽数量 515. 平衡与计算 515.1 物料平衡计算 535.2 电压平衡计算 535.2.1 实际分解电压 535.2.2 电解质电压 535.2.3 阳极电压降 555.2.4 阴极电压降 565.2.5 阳极效应分摊电压降 565.2.6 连接母线压降 565.3 能量平衡与计算 575.3.1 能量平衡计算的基本概念 585.3.2 能量收入项的计算 595.3.3 能量支出项的计算 736.辅助篇 736.1 铝电解槽破损的特征、检测与维护 736.1.1 电解槽阴极破损的特征 766.1.2 破损槽的维护 797. 铝电解车间平面设计 80参考文献 81致 谢 82附件1 外国文献 87附件2 中国翻译 1 绪论 1.1 铝电解工业的概述 铝是世界上最丰富的金属元素。金属铝具有耐腐蚀、易导电、密度小和延展性好等特点，其优良的物理化学特性使得它被广泛地应用于建筑、包装、交通、电力和航空航天等领域，是保障国民经济持续、快速发展的重要原材料之一，一次铝工业呈现风波发展之势。2004年我国氧化铝产量达710万吨，居世界第二位；电解铝产量670万吨，居世界第一位；铝的表观消费量约597万吨，居世界第一为。以上数据表明，我国已成为世界铝生产、消费大国。 1.2 现代铝电解技术 炼铝方法的发展可分为两个时期：最初是化学法，其后是电解法。铝的工业化生产开始于1855年，当时法国人戴维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得金属铝。由于拿破伦三世预见到它在轻型铠甲中的潜在应用而使铝的军事应用获得政府支持。然而，直到冰晶石-氧化铝熔盐电解法实现工业应用之前，仅生产出少量的铝。 1854年德国人本森（R.Bunsen）用电解NaAlCl4熔盐制得了金属铝。当时，由于电价格太高而且不能获得大电流，因而不能进行工业电解试验。1867年发明了发电机并在1880年加以改进，这种电源才可用于工业生产。1883年美国布拉雷（Bradley）提出冰晶石-氧化铝熔盐电解。三年之后即1886年，美国的C.M. Hall和法国的P.L.T. Héroult都在当年通过实验了冰晶石-氧化铝熔盐电解法的专利。这就是历来称呼的霍尔-埃鲁特法。这一方法的要点仍是近代铝冶金工业的基础。自从1886年发明了冰晶石-氧化铝熔盐电解法之后，1888年11月Hall在美国Pittsburgh建厂实现工业化生产，1889年Héroult在瑞士Neuhausen建厂生产铝，这就是电解法工业生产铝的开始。1888年8月奥地利科学家拜尔（Karl Joseph Bayer）申请了从铝土矿提取氧化铝的专利。与此同时，瑞士冶金公司利用莱茵河上的水力发电，获得了廉价的电力。由此，霍尔-埃鲁特法、拜尔法以及廉价的电力推进了美国和欧洲铝工业的发展，于是，电解法很快取代了化学法。化学法总共生产了约200吨铝，前后约30年，该工艺在19世纪末逐渐被淘汰。以后，其它各国相继采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝。英国开始于1890年，德国1898年，奥地利1899年，挪威1906年，意大利1907年，西班牙1927年，前苏联1931年，中国1938年。冰晶石-氧化铝熔盐电解法发明一百多年来，全世界的铝产量已有很大的增长。1890年是化学法和电解法的交替时代，原铝的产量只有180吨左右。1970年达到1000万吨，1980年1625万吨，2000年突破了2400万吨,2007年已超过3250万吨。 冰晶石-化铝熔盐电解法自从十九世纪末页以来，已有一百多年的历史了。在此期间，铝电解的生产技术有了重大的发展，这主要表现在持续增加电解槽的生产能力方面。 在铝工业生产初期（1888～1900年间），曾采用4000～8000安培小型电解槽，其每昼夜的铝产量不过24～28kg，20世纪90年代大型电解槽的电流强度达到28～30万A，每昼夜的铝产量可达2030～2170kg。铝电解的电流效率，在铝工业生产初期低于80%，20世纪90年代一般达到90%，有的达到92%。 电解槽电流强度的持续加大，显然是与整流设备的更新，电极生产的改进，电解槽设计与生产操作的改善密切相关。在铝工业生产的初期，曾采用小型直流发电机，电流只有数千安培，后来，改用了水银整流器，现代则普遍采用了大功率高效率的硅整流器组，系列电流强度因此增加到30万A，而整流效率达到95～98%。 此外，在铝工业生产初期，电解槽曾采用小型预焙阳极，这跟当时电机工业的生产状况相适应。后来，在20世纪初（1909年），生产生产铁合金的电弧炉上出现了连续自焙电极，铝工业从二十年代开始也采用了这种型式电极作为阳极，这就是侧插棒式自焙阳极。随后，为了扩大阳极尺寸和简化阳极操作，在四十年代又发展了上插棒式自焙阳极。自焙阳极的采用，标志着铝电解槽结构型式发展的第二个阶段。但是，由于自焙阳极的电耗较高，并且因为电极工业的高度机械化可制造大型预焙炭块，所以从五十年代中期开始有了两项重大的改进，这就是改造了小型预焙阳极电解槽，使之成为现代化的大型预焙阳极电解槽，与此同时还试验并采用了连续预焙阳极。预焙阳极电解槽的现代化是铝电解槽发展的第三阶段。 侧插棒式和上插棒式自焙阳极电解槽，最近数十年来也在不断地发展。20世纪90年代侧插棒槽的电流强度一般是6～8万A，而上插棒槽达到10～15万A。 因此，现代铝工业上有两类四种型式的电解槽： 自焙阳极电解槽：侧插棒式，上插棒式。预焙阳极电解槽：不连续式，连续式。除了上述的四种型式电解槽之外，还有一种多室电解槽，它既可以用于氯化铝电解，又可以用于氧化铝电解，20世纪90年代尚处于试验阶段。计算机控制技术已经广泛应用于各种型式电解槽。 铝电解槽在增大生产能力的同时，原铝的质量也有了明显的提高，有的达到99.85%Al。由于铝电解生产需要大量的电能，故降低单位铝产量的电能消耗是历来全力以赴的目标。在铝工业生产的初期，每kgAl电耗高达30～40kWh/kg。以后，随着电解槽生产能力的增加、阳极和导电母线的电流密度的减小，电解槽结构的改进和生产操作的改善，电耗率亦相应地有所降低，20世纪90年代以来一般为每千克Al电耗率13～15kWh/kg，有的甚至降低到12.5kWh/kg。 目前炼铝的方法仍以冰晶石-氧化铝熔盐电解法为主。多年以来，为了探索新的炼铝方法，曾经试验了多种炼铝新方法，如碳热法，氯化铝法等，虽然取得了一定的进展，但在可预见的将来都还不能在经济上和规模上与电解法相匹敌。 1.3 国内外铝工业现状与发展 1.3.1 国外铝工业的现状 本世纪八十年代以来，国外新增电解系列已普遍采用大型预焙阳极电解槽，系列电流强度普遍达到180～350kA，吨铝直流电耗降至12900～14000 kw.h.t-1。目前，西方国家用于生产的电解槽最大电流强度为350 kA，且绝大多数企业为280～320 kA的超大型预焙槽，电流效率平均达到了94％ ～96％。近年来，我国新建槽多采用180～300 kA的大型槽，改造旧槽因投资等方面的原因，多采用75kA或160～240 kA之间的槽型，其技术与世界先进水平比仍有一定的差距，到目前为止，国内仅有少数企业采用技术上与世界一流企业基本同步的280～320kA之间的槽 型。目前，我国生产使用的铝电解槽，最大的槽型是电流强度为350kA的槽型(应用于平果铝业公司)，还有电流强度仅24kA的槽型，我国电解槽电流效率 平均仅为86％～90％。2003年底全国833.82万t产能中，280kA以上特大型预焙槽产能为152.6万t，占总产能的18.3％； 160～240 kA大型预焙槽产能为387.1万t，占总产能的46．5％ ；小型预焙槽产能为190.24万t， 占总产能的22.8％；还有103.88万t产能仍然是使用落后的自焙槽，占总产能的12.5％。可见，虽然通过引进、消化、吸收国外先进技术和装备，我 国电解铝行业整体装备水平有显著提高，但是，我国还有约100万t的自焙槽和约200万t的小型预焙槽，约占全国总产能的35％ ，这些低档次的生产技术设备，虽然具有生产工艺简单、投资省、见效快等优点，但技术装备水平较低，能耗、原材料消耗高，环境污染严重，技术经济指标较差。进入20世纪90年代以来，世界铝产量持续保持增长，铝产量从1900 年的1935万t增加到2003年的2794.6万t，与1900年相比，年均增长3.4%。随着近几年铝工业的技术及装备水平的提高，全球产量增长迅猛。全世界原铝生产国从1995年的43个增加2003年的45个，电解企业从1995年的137个增加到2003 年的272 个(中国147个)，截止到2003年末，全世界金属铝总生产能力达3300 万t (中国833万t)，实际产量为2794.6万t (中国550万t)，比2002年增长7.1%。按1995年铝产量排名，居前4位的依次是美国337.5万t，俄罗斯272.2万t，加拿大217.2万t，中国186.9万t。从2001年至今，全球最大产铝国是中国。2003 年居二、三、四位的依次是俄罗斯、加拿大、美国。目前，我国已由铝的净进口国变为铝的净出口国。2003年，我国净出口电解铝49.27万t，首次成为世界原铝输出国。中国铝工业的高速发展，引起了世界瞩目，产量居世界第一、消费居世界第二的中国铝工业，将由粗放经营向着集约化经营转变，将逐渐由世界铝工业大国向着世界铝工业强国迈进。 表1 2000—2006全球电解铝市场供求状况 项目 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 产量（万吨） 2442 2445 2609 2801 2925 3081 3280 消费量（万吨） 2484 2408 2550 2748 2915 3050 3300 供求（“-”号表示消费缺口） -421 367 587 536 91 31 -12 2005年底我国按电流强度区分的电解槽数量、产量和能力 电流强度 实有槽数 2005年底开工数 生产能力 产量 个 个 万t 万t 合计 21740 17816 1020 777.8 其中 320—350kA 596 556 53.5 47.9 280—300kA 3554 2774 265.7 159.0 115—240kA 10220 8976 526.4 460.5 10—90kA 7100 5512 174.4 2003年全球原铝(含铝合金)的消费为2716.8万t，比2002年增长7.7%。消费增长速度最快的国家和地区依次为中国(24.7%)、其他亚洲国家(11.8%)和拉丁美洲(11.2%)。西方世界消费增长速度则仍然较慢，不过日本铝消费增长却达到了4.5%，基本摆脱了长期下滑的趋势。目前铝的最大消费国是美国，其次为中国。自20世纪80年代中起，我国铝的消费开始发生变化，特别是进入20世纪90年代后，铝在建筑、交通运输和包装三大领域逐渐成为象发达国家那样的铝消费主体，近几年汽车制造、电网改造等行业用铝量也大幅增长。铝消费量已从1990年的83万t上升到2003年的550万t，2003年的消费量是1990年的6倍多。 从表1看出，虽然目前世界原铝的库存仍处于历史高位，但随着世界就经济复苏后消费量的迅速增加，预计今后几年，铝会由供应过剩逐步转变为供需基本持平甚至小量短缺。因为：尽管铝产能在扩张，但从长远来预测，随着世界经济的进一步复苏，国内外铝消费状况有望长期保持旺盛的增长势头，从而支持铝价相对坚挺，这将促使世界铝产量持续增长；近几年，全球经济复苏拉动世界需求增长，资源和能源相对短缺，电价和氧化铝价格居高不下，各国环保要求不断提高，铝生产成本不断增加，过渡产能扩张铝供大于求等因素，都对电解铝企业的利润空间造成压缩，这将使一些小铝厂或电价、氧化铝价格高的生产厂家难以支撑而减产甚至关闭停产，从而使铝产业投资过热得到降温，铝产量增速放缓，铝消费量相对加快，这将促使铝市场从供应过剩向着供需基本持 平甚至小量短缺的方向发展； 表2 2007-2011年世界原铝产量 占世界产量1/5的中国，对世界铝的供求状况有着举足轻重的影响，随着我国限制钢铁、电解铝、水泥行业盲目扩张以及银根紧缩的宏观政策出台，我国电解铝产能低水平盲目猛增的势头已经得到了有效控制，这将促使占世界产能1/4的中国铝工业加快实现由粗放型向集约型的转变。因此，在世界和我国金属铝供求关系正在发生有利于铝产业良性发展的这种背景下，年轻的世界铝工业将方兴未艾，前景看好。 1.3.2 我国铝工业的发展状况 1 中国电解铝铝工业发展历程 中国电解铝工业50 年的发展历程大致可以分为三个阶段：   第一阶段从中国第一家电解铝厂－抚顺铝厂1952年4月开工建设到70年代末期，可以认为是中国电解铝工业的发展初期。1952 年当抚顺铝厂一期工程开工建设时，其设计产能仅为年产1.5万吨。1958年中共中央、国务院分布了《关于大力发展铜铝工业的指示》，铝被定为国民经济的第二大金属材料。从此，国家开始对铝工业的发展给予巨大的政策支持和资金扶持，使中国铝电解工业开始走上了发展轨道。这一时期，贵州铝厂、兰州铝厂、包头铝厂、青铜峡铝厂、连城铝厂 、郑州铝厂电解分厂等相继建成投产，初步形成了八大铝厂的生产格局。电解技术基本是以旁插和上插自焙阳极铝电解梢工艺和设备为主，产量达到了36 万吨。50-60 年代中国电解自焙槽主要缺点是电流效率低、能耗高、劳动生产力低，特别是电解槽密闭性能差，电解烟气中含有大量的沥青挥发物，对生产操作和环境污染影响极大。70年代中后期，我国自行设计并建造了135 KA中间下料预焙阳极铝电解槽系列。在1979年贵州铝厂扩建过程中，引进了日本当时还处于试验阶段的160 KA 中间下料预焙阳极电解槽技术。从此，中国电解铝工业的技术水平开始有了很大的提高。      第二阶段从80年代改革开放到90年代初，是中国电解铝工业步入常规发展时期。1982 年在国家“优先发展铝”的方针指导下，一些建于60-70年代的铝厂开始纷纷进行改扩建，以提高生产规模和效率。如贵州铝厂与贵阳铝镁设计研究院合作开发了186 KA大容量、高效能预焙槽；包头铝厂兴建了135 KA预焙槽系列；青海铝厂在吸收消化贵州铝厂技术的基础上建成了20万吨电解铝厂等。这一系列项目的相继建成，预示着中国铝工业开始向规模化大生产方向发展。与此同时，在市场利益的驱动下，一些具有电力优势和铝土矿优势的地区也纷纷投资兴建了一批小型60KA白焙槽电解铝厂。这段时期，全国电解铝的产量由70 年代末的36万吨发展到1992年的109万吨，使中国电解铝生产首次突破厂100万吨大关。       第三阶段从1992 年到跨入新世纪，是中国电解铝工业步入世界铝工业生产大国阶段。这一阶段主要有四个特征：一是发展速度跃居世界前列。仅用10年时间，中国电解铝产量就从1992年的109万吨迅速发展到2001年的342.46万吨，形成了中国铝业公司、青铜峡铝业公司、兰州铝业公司、山东铝业公司、包头铝业公司、山西关铝公司、焦作万方铝业公司等为代表的大型铝生产企业。全球排名从1991年的第六位跃居为2001年第一，成为世界生产大国，并首次由净进口国成为净出口国；二是技术趋于先进。近几年中国新建和改扩建的电解铝工程都采用200 KA以上的大型预焙槽，230KA、280 KA、300 KA预焙槽型、干法净化、氧化铝自动下料和浓相输送、电解槽智能化控制等先进技术被广泛应用，2001年160 KA以上电解槽产量超过150万吨，占全部产量的45％左右，技术经济指标达到或接近国际水平；三是生产规模日趋扩大。在1995 年全国电解铝生产企业就达到了53家，电解铝产能197万吨，产量168万吨。到2001年，中国的原铝产能达到了433万吨，跃居到世界第一位，占全球总产能的15.7％。到2002 年中国电解铝企业猛增到138 家，产能546 万吨，产量432.1 万吨，在全球排名第一。2001-2002 年中国电解铝生产能力和产量的增长极大程度地弥补了西方世界的原铝产能关闭对市场的影响，中国原铝产量在世界所占份额也不断上升，1995年份额不足10％，2002年就达到了20.4％。在2003年产量继续增长到541.9万吨，同比增长25.4％，占世界总产的24.7％。即使如此，中国电解铝生产和投资在2003 年仍然大幅扩张，2003年有在建项目47个，建设规模约500 万吨，投资额约350 亿元。四是除国家重点铝厂迅速发展之外，以各种渠道集资筹办的地方铝厂(私人资本、中外合资、乡镇企业、地方国营等)发展更加迅猛。       由于生产铝需要消耗大量的电能，所以我国的铝生产企业基本上集中在西部地区。在2002 年中国排名前六的铝生产省份是河南、甘肃、贵州、山东、青海和山西；2003 年前六分别是河南、山东、青海、甘肃、山西和贵州。其中河南铝产量180.3 万吨，占全国产量的22％，山东104.9 万吨，占总产量13％，其他几省产量在7-8％范围。 2 中国电解铝生产规模和分布 从产能规模上看，截止2003年底，中国电解铝总产能达到833.82万吨，平均产能规模为5.67万吨/年，虽然比2002年的平均水平4.07万吨/年有较大程度的提高，但是还远远低于国外近20万吨/年产能的平均规模。2002年美国铝业产量达到了343.2 万吨，而同期占有中国原铝产量最大份额的中国铝业只有73.5万吨，仅相当于美铝的五分之一强。 中国电解铝企业数量超过了国外企业数量的总和。2003年底达到了147 家，分布在除北京、上海、天津、广东、海南和西藏外的25 个省（市、区），在陇海铁路沿线比较集中，形成一个密集的铝工业带。河南省的电解铝企业数量为22 家，位于全国数量的首位；企业数量超过10 家的有山东、山西、青海、湖北和湖南5 个省。其中2003 新建成的12 家电解铝企业分布在全国8 个省（市、区），有5 家位于山东省内。从经济区分布看，主要集中在华西和华中地区，经济发达的环渤海、长三角、珠江三角洲产量较少。       中国电解铝厂家平均规模超过10万吨的有4个省市：宁夏、内蒙、甘肃和辽宁；平均规模在5-10万吨的有8个省；2-5万吨的有5个省，还有8个省的平均规模不到2 万吨。把产能和数量结合在一起，2003年的特点是高产能企业数目有了显著增加，产能超过10万吨的企业比上年增加13家达到30家。2003年底，在全国147 家电解铝企业中，产能超过30万吨的2 家；产能在10-30万吨的28 家；产能在1-10万吨之间的最多，有91家，占总数的61.9%；剩下26 家的产能在1 万吨以下。 表3  2003 年各省铝产量所占份额     资料来源：《中国铝业》  表4  2003 年各经济区电解铝产量分布   1 国内外铝工业发展技术的进步 铝电解工艺经过百余年的生产实践，尤其是由于近20年来现代科学技术的飞速发展，使人们对铝电解过程有了更深入的认识。特别是计算机技术的发展及在电解铝工艺上的应用，为电解槽建立起热、电、磁力和流动等物理场的各种数学模型，使槽型设计更科学化和生产过程控制更自动化。代表世界先进潮流的280kA以上的高效大型预焙槽，就是在上述科技进步的基础上开发研制的。 （1） 国外高效大型预焙槽的发展和技术特点 90年代以来，国外电解铝工业高新技术进步很快，其主要表现在电解槽容量大型化、高效化，技术经济指标和劳动生产率提高，槽寿命延长和环保条件改善等方面。 据资料介绍，国外电流强度达到280kA以上的超大容量电解槽比较著名的有3种槽型，即法国彼施涅铝业公司的300kA预焙槽(AP30型)、美铝公司的300kA预焙槽(A-817型)、俄罗斯和德国联合铝的300kA预焙槽(CA300/VAW型)。这些高效低耗长寿的大型预焙槽及其工艺技术堪称90年代高新技术，现已成为21世纪铝工业的主流。大型预焙槽AP30技术现已成为新建铝厂的依据和样板。 国外280型预焙槽的特点主要是：1)指标先进：电流效率为94.6%，直流电耗为13240kWh/t-Al，净炭耗为419kg/t-Al，电流密度0.74A/cm2，密闭效率98%，排氟量0.7kg/t-Al，全员劳动生产率390t/人·年；2)5根立柱进电，有尺寸为1450×650×560mm的预焙炭块40组，槽寿命超过6年；3)连续化自动化程度高：微机控制4点打壳下料、出铝、更换阳极、提升母线；4)采用超浓相输送方式输送载氟氧化铝：载氟氧化铝用超浓相输送系统往槽上的料仓中供料，使槽上料箱永远保持满仓，与电解槽内要求的氧化铝浓度及下料速度相适应。 表5 2003年全国十大铝冶炼企业铝产量 单位：吨 资料来源：《中国铝业》 法国彼施涅铝业公司开发的280kA的预焙槽，1991年改进成300kA的AP30型预焙槽进行推广应用。AP30型预焙槽的特点主要是：1)与280型槽相比，投资相同，但产量提高了；2)为适应300kA的电流改变了AP28型的阳极系统，增大阳极炭块面积，由原来40块减少到20块，用20根阳极导杆单独控制阳极，阳极电流密度0.78A/cm2；3)采用半石墨化阴极，重新设计槽侧部保温层结构，建立高电流密度下的热平衡；4)每套打壳加料器装有2个气缸，保证打壳和加料两种功能独立运作；5)加料点位置选在电解质旋流速度快的地方，以保证下到电解质中的物料快速扩散和溶解，减少炉底沉淀；6)固体电解质用自动加料装置送到槽上，与氟化铝一起通过重力点式加料器加入槽内；7)采用装置有分流器的焦粒预热焙烧灌熔体电解质的方法，以50h快速平稳启动，可以防止槽子热震冲击和渗铝引发的早期破损现象出现，提高槽寿命；8)电解槽操作依靠计算机实行自适应控制，使极距、槽温度、氧化铝浓度和分子比等参数技术条件的变化始终保持在狭窄的范围内，保持电解槽在设定的最佳状态下平稳高效运行；9)长期生产统计出的工艺技术参数和技术条件是：槽温度955-959%，过剩氟化铝11.6%，阳极效应系数0.23次/槽·日。 选择AP30型槽电解系列槽数为264、288、300台时，使单位投资接近最佳值，最佳生产规模为21.5万t/a，最高产能可达到50万t/a。例如，加拿大阿鲁特铝厂AP30型槽系列电压1135V，电流强度295kA，槽电压4.3V，电流效率95%，直流电耗13500kWh/t-Al，净炭耗420kg/t-Al，氧化铝单耗1920kg/t-Al，阳极效应系数0.2-0.3次/槽·日，日产量2240kg。再如法国敦刻尔克厂，电流强度295kA，电流效率95%，直流电耗13000kWh/t-Al。 （2）我国大型预焙槽技术取得的进步 20世纪70年代末，我国(贵州铝厂)从国外引进了160kA中间下料预焙槽技术，并应用于贵州铝厂和云南铝厂的技改工程中，指标达到电流效率91.5%，原铝直流电耗13594kWh/t-Al，阳极炭毛耗590kg/t-Al和净耗421kg/t-Al，氧化铝单耗1940kg/t-Al，冰晶石12kg/t-Al，氟化铝24kg/t-Al，创国内指标领先水平和达到国际20世纪80年代水平。我国180kA大型预焙槽主要技术特点：1)4立柱进电式母线配置。应用母线优化设计软件设计出非对称性4点进电母线配置，使槽内磁场分布、铝液界面状态和流速等方面，比引进160kA槽有很大改善。而186kA槽实测值为13.5cm/s。2)单围带摇篮托架式槽壳结构。3)螺杆起重机式上部结构。4)交错进行4点定容下料系统。5)窄炉膛375mm加工距离和200mm中缝设计。6)28组单块阳极，炭块尺寸1450×660×540mm。7)18组通常半石墨化炭阴极，炭块尺寸3250×515×450mm，每块阴极4根扁钢棒。8)铝液预热焙烧启动，获得适宜的工艺技术条件是：工作电压4.04V，电解温度950%，分子比2.4-2.6，氧化铝浓度2%-3%，铝液和电解质水平分别为18-20cm和22-24cm，阳极效应系数0.72次/槽·日180kA大型预焙槽开发成功，说明我国已具有开发设计和研制大型预焙槽的技术水平和能力，使我国现代大型化预焙槽技术又进了一大步。 1996年，我国成功开发了280kA中间点式下料超大型预焙阳极电解槽，并在河南沁阳试验工厂投产。槽设计上选用了摇篮托架槽壳，多点筒式下料，5点进电等多项新技术；槽启动上采用焦粒预热焙烧方法灌熔体电解质启动。通过鉴定验收的指标是：电流效率约93%和直流电耗13124kWh/t-Al，净炭耗420kg/t-Al，达到了20世纪90年代国际先进水平。这些成功开发的项目投入系列运行后，生产指标好、控制水平高，基本代表了中国铝电解的技术水平。 1997年，320kA超大型预焙槽技术开发成功，1999年6月在广西平果铝业公司试验工厂投产。280kA-320kA大型预焙槽的成功开发是我国铝工业史上的里程碑，这标志着我国大型预焙槽技术开始跻身国际先进行列。 2001年6月，由沈阳铝镁设计研究院开发研制的SY300(300kA)预焙阳极铝电解槽，在河南伊川铝厂新建256台，规模20万t/a，2002年11月电解槽全部投产。全系列连续6个月实际生产运行的平均指标为：电流效率为93.76%，直流电耗为13544kwh/t-Al，达到了国际先进水平。目前，我国在20-25万t/a规模的新建或改扩建项目均采用本技术，该成果已在河南伊川铝厂、河南万基铝业、山东南山集团铝厂、山西关铝股份有限公司、包头东方希望铝业公司、中国铝业股份公司山西分公司、宁夏中宁秦毅实业有限公司、内蒙古霍煤鸿骏铝业有限公司、云南铝业公司等10个铝厂采用，共计13.5个系列，安装3310台电解槽，总产能达282万t/a。世界上著名的法国彼施涅铝业公司开发的AP30(300kA)电解槽，在全世界推广应用总计槽数为3700多台，而我国的SY300电解槽已应用3310台，该槽型已成为我国铝电解生产的主导槽型。 （3） 我国铝工业与国际领先水平比较 1） 我国铝工业整体技术水平与国际先进水平比仍有较大差距 目前，西方国家用于生产的电解槽最大电流强度为320kA，且绝大多数企业为280-320kA的超大型预焙槽，电流效率平均达到了94%-96%。 近年来，我国新建槽多采用180-300kA的大型槽，改造旧槽因投资等方面的原因，多采用75kA或160-240kA之间的槽型，其技术与世界先进水平比仍有一定的差距，到目前为止，国内仅有少数企业采用技术上与世界一流企业基本同步的280-320kA之间的槽型。目前，我国生产使用的铝电解槽，最大的槽型是电流强度为320kA的槽型(应用于平果铝业公司)，还有电流强度仅24kA的槽型，我国电解槽电流效率平均仅为86%-90%。2003年底全国833.82万t产能中，280kA以上特大型预焙槽产能为152.6万t，占总产能的18.3%；160-240kA大型预焙槽产能为387.1万t，占总产能的46.5%；小型预焙槽产能为190.24万t，占总产能的22.8%；还有103.88万t产能仍然是使用落后的自焙槽，占总产能的12.5%。可见，虽然通过引进、消化、吸收国外先进技术和装备，我国电解铝行业整体装备水平有显著提高，但是，我国还有约100万t的自焙槽和约200万t的小型预焙槽，约占全国总产能的35%，这些低档次的生产技术设备，虽然具有生产工艺简单、投资省、见效快等优点，但技术装备水平较低，能耗、原材料消耗高，环境污染严重，技术经济指标较差。 2) 我国最先进的大型预焙槽技术接近国际领先水平 从表2可以看出，我国最先进的大型预焙槽与国际领先水平的西方国家的大型预焙槽相比，其各项技术经济指标都比较接近，只是电耗特别是槽阳极消耗和阴极寿命有比较大的差别。 3) 我国先进大型槽与国际领先水平的主要差距 目前，国内先进的大型预焙阳极铝电解槽，与国际领先的高效节能大型预焙阳极铝电解槽的差距主要表现在，阳极消耗量较大、槽寿命较低。这与阳极质量、槽阴极结构与材料以及槽生产操作等有很大关系。 ① 阳极质量。国际上，现代化大型预焙阳极电解槽的炭阳极净耗为400kg/(t-Al)左右，这主要得益于高品质的阳极质量。目前，中国的沥青和石油焦质量较差，虽说近年来阳极生产工艺及装备水平有了很大提高，但与国际先进水平相比，阳极质量仍有较大的差距，对电解生产指标的提高有很大的影响。 2 阴极结构及材料。阴极结构的设计与材料的选用对铝电解槽阴极内衬的寿命影响 很大。炭-氮化硅侧壁内衬加上槽侧下部和底部的防渗透内衬结构，已被很多大型预焙槽铝厂采用。 表6 国外先进技术指标 对于阴极炭块的质量问题，法国彼施涅公司曾在3000多台大型预焙槽上，使用不同厂商提供的15种类型的阴极炭块进行研究，主要选取了典型的无烟煤、半石墨质、石墨质和石墨化阴极炭块进行试验。试验结果表明：在正确合理的设计、施工和生产操作的前提下，石墨化阴极炭块良好的机械、导电、导热性能可以使铝电解槽得到最佳的技术指标和良好的经济回报率，只是其磨蚀速度略高于无烟煤或半石墨质阴极炭块。 3 世界电解铝工业发展趋势 目前世界电解铝工业的发展趋势主要表现在如下五个方面： （1） 世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化。 先进企业实行联合、兼并、重组和强强联合，组成超大规模的铝业集团，世界铝工业发展日趋规模化、集团化、国化。目前西方国家的铝企业正在强强联合，发展大铝业集团，并加快产业结构调整，新建电解铝厂多数位于能源价格低廉的地区。 近年来，为了适应市场竞争，实现规模化运营，做到优势互补，扩大市场份额，国外大型铝企业集团和跨国公司实行资本运营和生产经营紧密结合，连续不断地收购、兼并、联合，以低成本扩张的方式，组建更大规模的企业集团。世界铝工业的规模化、集团化、国际化趋势已十分明显。西方国家电解铝企业正在实行兼并、重组和强强联合，组成超大规模的铝业集团。如美国铝业公司在1998年兼并美国阿鲁玛克斯(Alumax)公司后，2000年3月，又兼并美国雷偌兹金属公司，成为集铝土矿采选、氧化铝、电解铝和铝材加工为一体的世界铝业巨子；2000年6月，加拿大铝业公司(Alcan)与瑞士铝业公司合并，成为世界第二大铝业集团；俄罗斯国内的铝工业也正在进行结构调整，组建铝业集团。全球年产能大于40万t的铝及铝加工企业有12个，最大规模为俄罗斯的布拉茨克(Bratsk)铝厂，年产能94万t。2001年3月，我国新成立的中国铝业公司，其电解铝年产能为67.5万t。近两年来，通过这种联合、兼并和重组，全球铝业跨国公司已由10个减少到8个。 此外，目前世界上新建铝企业的规模都比大。西方新建或改造电解铝的起步规模平均在25-50万t之间。如加拿大铝业公司投资19亿美元正在建设的阿尔玛(Alma)铝厂，年产能40万t；2001年6月，由比利顿(Billiton)矿业公司控股的莫桑比克铝冶炼公司，投资10亿美元建设与一期相同的原铝能力25.3万t；法国普基铝业公司在委内瑞拉建设一个年产能达46万t的电解铝厂；几内亚拟在未来4-5年内投资25亿美元新建一个年产能达30万t的电解铝厂及相关项目。年产50万t电解铝的海湾巴林铝厂拟扩产到70万t规模。扩大产能的目的是节约成，提高劳动生产率，加强竞争力。 （2） 铝电解槽日趋大型化或超大型化，其科技含量、智能化程度越来越高 冰晶石—氧化铝电解法发明110多年以来，电解槽设计渐趋合理，容量大幅度增加，其科技含量、智能化程度越来越高，发展大型或超大型高效、智能化的铝电解槽已经成为当今电解铝企业技术进步的标志和趋势，世界铝电解工业的技术及装备水平已经有了很大提高，在生产规模、电解槽容量、计算机应用、机械化和自动化程度以及烟气治理等方面都有了较大的进步变化。 近年来，计算机技术的应用，带动了电解过程物理场的深入研究和有关数学模型的建立，使电解槽的设计从经验向计算机辅助设计方向发展。由于电解槽设计渐趋合理，世界新建铝电解槽容量大幅度增加。采用大容量、高效能的智能化铝电解槽是21世纪电解铝技术发展的主流。这种电解槽电流强度大、单槽及系列槽的铝产量高、消耗低、电流效率高、使用寿命长、污染低。如法国彼施涅公司的500kA超大型铝电解槽；加拿大阿尔玛铝厂300kA的铝电解槽；委内瑞拉铝业公司320kA的铝电解槽。 （3） 电解铝生产的技术经济指标向着高产、优质、低耗、长寿和低污染的方向加快进步电解铝工业未来技术发展方向是高产、优质、低耗、长寿和低污染，其涵义分别是：高产—提高单槽及系列槽的铝产量；优质—提高铝产品质量；低耗—减少电解铝的电耗和氧化铝原料及辅助物料消耗；长寿—提高电解槽的寿命；低污染—减少烟气(氟化氢和二氧化硫)排放量，达到国家的环保。 西方国家先进电解铝技术的发展，体现在技术经济指标的先进性上：1)槽型大，电流强度达300kA以上；2)电流效率高：一般达到94%-95%，个别企业已经提高到96%；3)吨铝直流电耗低：一般为13200-13400kWh，个别企业已经降低到13000kWh。 （4） 世界铝工业向电力充裕廉价、铝土矿资源丰富的地区转移 目前，世界原铝生产成本中电费占据相当大的比重，因此，如何降低发电成本和电价，降低原铝生产电耗，是铝工业生存和发展的重要研究课题。 虽然日本是铝的消费大国，但铝产量却从1980年的110万t急剧下降到1982年的3.5万t，变成产铝小国，1989年仅存一家蒲源铝厂。日本现主要靠在海外投资来获取金属铝，仍保持人均年耗铝28kg的高水平。日本铝工业的衰落，除资源贫乏之外，最主要的是能源短缺，铝用石油电价高达7.5美分/kWh，超过国际铝业平均用电价格2.0-2.1美分/kWh数倍。日本铝工业的兴衰发人深思，电价渐渐变成左右铝工业发展的制约因素。当今世界铝工业被迫向电力充裕廉价的地区转移，向铝土矿资源丰富区域和发展中国家转移。例如加拿大、挪威、巴西、委内瑞拉、澳大利亚、中国、巴林、南非等国家铝工业迅猛发展，使世界铝工业分布形成新的格局。 铝的产消大国美国同样因存在电价不低的缘故而没有再建新厂，有些铝厂盈利不大而处于关停边缘。因此美国铝产量呈低落趋势。美国西部铝用水电价为2.3美分/kWh，沿海铝用煤电价为3.0美分/kWh，它采用铝电价格挂钩的办法解决铝的用电问题。 （5） 电解铝新技术探索不断进行 一些国家特别是西方国家企业正在研究开发电解铝的最新技术，如为减少阳极消耗，美国铝业公司开发出的惰性阳极湿润性阴极电解技术正在进行工试验；法国彼施涅公司开发出的500kA特大型电解槽正在试验工业化生产；澳大利亚新建导流式电解槽；我国的低温铝电解技术研究等。这些新技术的探索应用，将大幅度提高单槽和系列槽的产量，而且更加重视环保和节能，进一步降低电解成本。 1.4 铝电解的发展趋势 1.4.1 世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化 此外，目前世界上新建铝企业的规模都比较大。西方新建或改造电解铝的起步规模平均在25-50万吨之间。如加拿大铝业公司投资19亿美元正在建设的阿尔玛 （Alma）铝厂，年产能40万吨；2001年6月，由比利顿（Billiton）矿业公司控股的莫桑比克铝冶炼公司，投资10亿美元建设与一期相同的原 铝能力25.3万吨；法国普基铝业公司计划在委内瑞拉建设一个年产能达46万吨的电解铝厂；几内亚拟在未来4-5年内投资25亿美元新建一个年产能达30 万吨的电解铝厂及相关项目。年产50万吨电解铝的海湾巴林铝厂拟扩产到70万吨规模。扩大产能的目的是节约成本，提高劳动生产率，加强竞争力。 1.4.2 铝电解槽日趋大型化或超大型化，其科技含量、智能化程度越来越高 冰晶石-氧化铝电解法发明110多年来，电解槽设计逐渐合理，容量大幅度增加，其科技含量、智能化程度越来越高，发展大型或超大型高效率、智能化的铝电解 槽已经成为当今电解铝企业技术进步的标志和趋势，世界铝电解工业的技术及装备水平已经有了很大提高，在生产规模、电解槽容量、计算机应用、机械化和自动化 程度以及烟气治理等方面都有了较大的进步变化。 1.4.3 电解铝生产的技术经济指标向着高产、优质、低耗、长寿和低污染的方向加快进步 西方国家先进电解铝技术的发展，体现在技术经济指标的先进性上：1）槽型大，电流强度达到300kA以上；2）电流效率高，一般达到94%-95%，个别 企业已经提高到96%；3）吨铝直流电耗低，一般为13200-13400kWh，个别企业已经降低到13000kWh。 1.4.4 世界铝工业向电力充裕廉价、铝土矿资源丰富的地区转移 目前，世界原铝生产成本中电费占据相当大的比重，因此，如何降低发电成本和电价，降低原铝生产电耗，是绿工业生存和发展的重要研究课题。虽然日本是铝的消费大国，但铝产量却一直下降。日本现在主要靠在海外投资来获取金属铝，仍保持人均年耗铝28kg的高水平。日本铝工业的衰落，除资源贫乏 之外，最主要的是能源短缺，铝用石油电价高达7.5美分/kWh，超过国际铝业平均用电价格2.0-2.1美分/kWh数倍。日本铝工业的兴衰发人深思， 电价渐渐变成左右铝工业发展的制约因素。当今世界铝工业被迫向电力充裕廉价的地区转移，向铝土矿资源丰富区域和发展中国家转移。 表7 原法国普基公司（Pechiney）的氧化铝质量标准（元素含量以10-4%表示） 2 厂址的选择与论证 厂址选择要根据国民经济建设计划和工业布局的要求进行。厂址选择适当与否，对企业的建设速度、建厂投资、生产发展、经济效益、环境保护及工农关系等会带来重大影响[5]。 厂址选择的一般原则是：应符合工业布局及区域性总体规划和城市建设规划的要求；要尽可能利用城镇设施，节约投资；要靠近原材料、水、电供应充足和产品销售便利的地方，有较好的交通运输条件；要注意节约用地，少占或不占农田，留有发展余地；要有适当的自然地形和适宜的工程地质、水文、地震等级条件及较好的协作条件等。 在进行厂址选择时，应充分论证以下几个问题： 2.1 工业布局问题 建设一座有色冶金厂，对全国的工业布局、一个区或一个城市的合理发展、各工业区之间的经济协调以及农业发展等起着重要的作用，应根据工业布局“大分散、小集中、多搞小城镇”的方针，按“工农结合，城乡结合，有利生产，方便生活”的原则，进行厂址选择和居住区规划，使之符合工业布局总体规划及城市建设规划的要求。 2.2 原材料供应及交通运输条件 有色金属冶炼是连续性的，物料吞吐量一般很大。因此在进行厂址选择时必须从分考虑交通运输问题。为了减少运输费用，在保证良好的运输条件下，应使厂址尽可能接近原材料基地和销售市场。 2.3 供水、供电条件 有色冶炼厂一般是大量用水和耗电多的企业。因此希望厂址附近有充分的水源和电源。以供电为例，厂址距离电源每增加1公里，就需增加外部高压输电线投资3-4万元，这不仅大大增加投资，而且影响建设进展，所以冶金企业应尽可能选择在供电网经济供电半径之内使至关重要的。 2.4 环境保护和节约用地问题 有色冶金生产特点之一是无一例外地产出大量造成环境污染的“三废”物质，除必须有完善的“三废”治理工程设计外，在选择厂址时，必须尽量考虑在主导风向和主要水流的下游位置，安排好“三废”处理场地和废渣堆放场地，要有良好的自然通风条件，并应考虑厂址附近居民点、城市发展规划、农牧渔业及旅游胜地、自然资源保护区等问题。 选厂址应注意节约用地。不占或少占良田好地，菜园，果园等；厂区的大小，形状和其他条件应满足工艺流程合理布置的需要，并应有发展的可能性。 2.5 厂址的工程地质及水文地质条件 冶炼厂的土建投资是相当大的，厂址地震等级的不同会对建筑结构及基础工程的投资带来很大的影响，所以厂址不能选在发震断层地区和基本烈度为9级以上的地震区。 此外，所选厂址的地耐力应不低于147.1-196.1kPa，地下水位最高也要低于基础地面0.5m，厂址最低洼处要高于历年最高洪水位0.5m以上；不能选在厚度较大的Ⅲ级自重湿陷性黄土地区和有泥石流或滑坡等危害的山区，厂址地下不宜有有用矿物矿藏或以开采的矿坑和溶洞等。 以下类型地区也应加以避免：易受洪水，泥石流，滑坡，土崩等危害的山区；有卡斯特，流砂，古河道，古井，淤泥，地下墓穴等地质不良地区；对机场，电台等使用有影响的地区；国家规定的历史文物，如古墓，古寺，古建筑；园林风景区和森林保护区，风景游览区；水土保护禁垦区和生活水源第一卫生防护区；地方病流行地区。 2.6 厂址的协作条件 冶炼厂一般是机械化自动化水平较高的现代化企业，为保证企业生产顺利进行，必须有充足的设备及备品备件供应，要有强有力的机械加工和维修能力。若厂址附近具备这些条件，便可发挥专业化协作的优越性，减少辅助设施投资和降低生产成本。工厂在建设过程中的施工条件诸如砖瓦、砂石、石灰、水泥、木材等能否就地取材，施工力量和施工场地是否具备等，都对建设进度起着一定的作用。在厂址选择时，应该充分考虑厂址附近是否具备这些条件，那种片面强调“小而全”不重视专业化协作的做法是不恰当的，甚至是错误的。 3. 工艺设计 3.1 电解铝生产 3.1.1 铝电解的基本原理 目前，铝工业生产一直采用冰晶石一氧化铝熔盐电解法。铝电解主要原料为氧化铝，副原料氟化盐包括冰晶石、氟化铝、氟化钙、氟化镁、碳酸钠等，阳极原料（-阳极和碳阳极）以及以及铝电解能源—直流电。 4 ?( o; E0 p, x. }% o1 固体氧化铝溶解在熔融冰晶石熔体中，当通入直流电后，即在两极上发生电化学反映，在阳极上"得到气态物质，阴极上得到液态铝，其过程为：溶解的氧化铝 通入直流电/960℃→ 液态铝（阴极）+气态物质（阳极）。 . {) M) c# A6 W6 ^7 p    铝工业生产全部采用活性阳极，随着电解过程的进行，阳极碳参与电化学反应，生成碳的化学物—二氧化碳，反应式为：2AL2O3（溶解的）+3C（固）直流电→4Al（液）+3CO2（一次气体） & g& Z; T1 Z% b1 I5 v" `+ d' ^, Y其电极反应为：AL2O3（固）溶解、电离→2Al3+（络合状）+3O2-（络合状）. r# r6 g8 P# u6 w6  阴极：Al3+（络合状）+3e-→Al（液）: W8 }" E6 P- }; ]:  阳极：O2-（络合状）—2e-→O（原子）) d) H9 Z/ p1 f( D           2O（原子）+C（固）→CO2（气）! X8 L$ L5 D* w; Y,    上述反应过程为当前铝电解的基本原理，依据此原理，随着反应不断进行，电解质熔体中的氧化铝，固体碳阳极不断被消耗掉，因此，生产中需不断向电解质中添加氧化铝和碳阳极，使生产得以连续进行。冰晶石在高温熔融状态下会发生挥发损失和其他机械损失，电解过程中也须做一定补充。需要大量的直流电能进行电解过程。 & U1 X1 j: g9 s% i3 v     实际生产中阳极气体为CO2（占70%）和CO（约占30%）的混合物，CO主要有电解过程中的副反应产生称为二次气体。 1 阴极过程 冰晶石（Na3AlF6-Al2O3）熔体中Na+是电流的主要传递者，所传输的电流达到总数的99%。在单一熔盐电解过程中，传输电流的离子往往就是在电极上放电的离子。但是在复杂的熔盐体系中，如冰晶石（Na3AlF6-Al2O3）熔体究竟是何种离子放电，则要根据它们的电极电位来确定。在其他条件相等时阳离子电位愈正，则在阴极上放电的可能性愈大，反之亦然。因此，在复杂的熔盐体系电解过程中，可能出现某种离子传递大部分电流，而在电极上放电的却是另外的离子的现象。 在冰晶石-氧化铝熔体中，已经证实在1000℃左右，纯钠的平衡析出电位比纯铝的约负250mV。同时根据研究表明，在阴极上离子放电时，并不存在很大的过电压（铝析出时的过电压约10-100mV）。因此阴极上析出的金属主要是铝，即铝是一次阴极产物。阴极反应是： Al3+（配离子）+3e-=Al （3-1） 冰晶石（Na3AlF6-Al2O3）熔体中并不存在单独的Al3+，铝是包含在铝氧氟配离子中。因此，Al3+的放电之前首先发生含铝配离子的解离，但也不排斥配离子直接放电的可能性。 然而，冰晶石（Na3AlF6-Al2O3）熔体中钠和铝析出电位的差值并非一成不变，而是随着电解质摩尔比的增大、温度的升高、Al2O3浓度的减少以及阴极电流密度的提高等而缩小的。当两者电位差降低到接近于零时，钠离子就有可能同铝离子一同放电，造成电流效率的损失。 为保证铝的一次反应充分进行，宜采用酸性电解质体系，在较低的温度下电解，并维持尽可能大的Al2O3浓度。此外槽内还必须具备良好的传质条件，防止Na+在阴极上大量积聚。 2 阳极过程  冰晶石（Na3AlF6-Al2O3）熔体电解过程是比较复杂的。这是由于阳极与阴极不同，炭阳极本身也参与电化学反应。铝电解时的阳极过程是配位阴离子中的氧离子在炭阳极上放电析出O2，然后与炭阳极反应生成CO2的。 2O2（配离子）+ C-4e- = CO2 （3-2） 因此，一次阳极产物应该是CO2气体。金诗伯和弗里格在阳极室用隔板隔开的电解槽上的试验结果表明，除了电流密度很低（<0.06A/cm²）的情况外，阳极气体几乎都是纯CO2。但是，工业槽上的阳极气体总是含有20-30%的CO，这是由于炭渣的存在，或CO2气体渗入阳极孔隙中以及溶解在电解质中的铝再氧化反应所致。 3.1.2 铝电解的生产系统、工艺流程 铝电解生产系统由电解、铸造、阳极组装、氧化铝储运、化验室等车间和工段组成。 简单来讲，铝电解生产所需的氧化铝、氟化盐由汽车从厂外运至厂内氧化铝及氟化盐仓库，采用稀相气力输送方式将氧化铝送入烟气净化用的新鲜氧化铝储槽。氧化铝经电解烟气净化系统后成为载氟氧化铝，由气力提升机送入载氟氧化铝储槽，再由超浓相输送系统送至每台电解槽的料箱内，按工艺的需要自动加入电解槽内。铝电解生产所需的直流电来自毗邻的整流所。 铝电解生产所需的阳极由阳极组装车间供给，该车间将阳极炭块与阳极导杆按工艺要求组装好，同时从电解槽上换下的残极，也在该车间进行处理，粉碎后的电解质返回电解车间，残极炭块返回到阳极生产厂，用于新的阳极块制造。 电解槽产出的液态原铝，由真空台包吸出，送往铸造车间，浇铸成重熔用铝锭，再经质量检验、打捆、检斤后由内燃叉车送入成品堆场。 为检查原材料的成分及产品质量，还需专门设计为铝生产服务的化验室。 冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝工艺分为两大组成部分；即原料(包括氧化铝和电解所需的其他原料氟化盐及炭素材料)的生产和金属铝的电解生产，现代电解炼铝的工艺流程如图3-1所示。 3.1.3 电解铝生产原料 铝电解过程中所用到原料有氧化铝、氟化盐及炭素材料等。 1 铝电解的原料 铝电解的原料是氧化铝。氧化铝是一种白色粉末，熔点为2050℃，密度为3.5-3.6g/cm3。 氧化铝是从铝土矿、霞石、蓝晶石、明矾石、高岭土、粘土中提取出来的。我国目前主要采用铝土矿作为制取氧化铝的原料。生产氧化铝的方法主要有拜尔法、碱石灰烧结法、拜尔-烧结联合法等，具体采用何种方法，视铝土矿的性质而定。氧化铝是当前冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产率的唯一原料。其主要作用是不断补充电解质中的铝离子(Al3+)，使其保持适宜范围的浓度，以保障电解生产持续、稳定地进行。电解生产中，为了取得良好的技术经济指标，对氧化铝的要求是非常严格的，主要体现在其化学纯度和物理性能上。 （1） 氧化铝的化学纯度 对氧化铝的质量要求首先是化学纯度高。工业氧化铝一般含Al2O399%左右，其他成分通常为少量的SiO2，Fe2O3，TiO2，Na2O，CaO和H2O。在电解过程中，那些电位正于铝的元素的氧化物性质，如SiO2和Fe2O3，都会被铝还原，还原出来的Si和Fe进入铝内，从而使铝的品位降低；而那些电位负于铝的元素的氧化物杂质，如Na2O和CaO，会分解冰晶石，P2O5则会降低电流效率。水分进入电解槽内不仅可以水解冰晶石造成损失，引起电解质成分的改变，而且还要产生大量的氟化氢，恶化环境。若水分过大时，还能引起电解质爆炸，危及工人的安全。所以铝工业对氧化铝的纯度提出了严格的要求。我国氧化铝等级标准(见表3-2)。（2） 氧化铝的物理性能 铝电解生产对氧化铝的物理性能的要求： ① 吸水性小。防止因水分过多水解冰晶石，甚至引起电解槽爆炸。 ② 溶解度小。即在冰晶石溶液中加入的氧化铝能很快被溶解，避免生成多量沉淀。 ③  飞扬损失小，并且能够严密地覆盖在阳极炭块上，防止阳极氧化和减少热量损失。 ④ 有较大的活性和足够的比表面积，能很好的吸收烟气中的氟化氢。 氧化铝的上述物理性能主要取决于氧化铝的晶型、粒度和形状。依照氧化铝的晶型、粒度和形状的不同，可将气氛为砂状、中间状和粉状3种类型(见表3-3)。 砂状氧化铝呈球状，颗粒较粗，安息角小，只有30°～50°，其中α- Al2O3含量少于5%，γ- Al2O3含量较高，具有较大的活性，适用于干法气体净化中用来吸附HF气体，以及在半连续下料的电解槽上用作原料，故目前得到广泛应用。粉状氧化铝呈片状或羽毛状，颗粒较细，安息角大，为45°，其中α- Al2O3含量达到80%。中间状氧化铝介于二者之间。 表3-1 铝电解工艺流程图 表3-2氧化铝质量标准(YB814-75) 级别 代号 化学成分，% Al2O3含量，% 杂质含量，% SiO2 Fe2O3 Na2O 灼减 一级 Al2O3-1 98.6 0.02 0.03 0.50 0.8 二级 Al2O3-2 98.5 0.04 0.04 0.55 0.8 三级 Al2O3-3 98.4 0.06 0.04 0.60 0.8 四级 Al2O3-4 98.3 0.08 0.05 0.60 0.8 表3-3  工业氧化铝的分类和特性 分类数据特性 砂状 中间状 粉状 通过45μm筛网的粉料，% <12 12～20 20-50 平均粒度，μm 80～100 50～80 50 安息角，° 30～35 35～40 >40 比表面积，m2/g >35 >35 2～10 密度，g/cm3 <3.70 <3.70 >3.9 容重，g/cm3 >0.85 >0.85 <0.75 α- Al2O3含量，% 25～35 40～50 80～95 砂状氧化铝呈球状，颗粒较粗，安息角小，只有30°-50°，其中α- Al2O3含量少于5%，γ- Al2O3含量较高，具有较大的活性，适用于干法气体净化中用来吸附HF气体，以及在半连续下料的电解槽上用作原料，故目前得到广泛应用。粉状氧化铝呈片状或羽毛状，颗粒较细，安息角大，为45°，其中α- Al2O3含量达到80%。中间状氧化铝介于二者之间。 2 氟化盐 铝电解用的溶剂包括冰晶石、氟化钠、氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化锂等。 （1）冰晶石 氧化铝能够在有冰晶石和其他几中氟化物组成的熔剂里，构成冰晶石-氧化铝溶液。这种溶液在电解温度950℃左右能够很好地导电。它的密度大约是2.1 g/cm3，比同一温度下铝液的密度2.3 g/cm3小10%左右，因而能够保证铝液跟电解质分层。在这种溶液里基本上不含比铝更正电性的元素，从而能够保证电解产物铝的产量。此外，冰晶石-氧化铝溶液基本上不吸水，在电解温度下它的蒸气压不高，因而具有较大的稳定性。 天然冰晶石(3NaF·AlF3)产于格陵兰岛，属于单斜晶系，无色或雪白，比重为2.95，硬度为2.5，熔点为1010℃。但它的储量有限，远远不能满足全世界电解用的需要，所以现代铝工业采用人造冰晶石，它是灰白色粉末，略粘手，不溶于水。 冰晶石分子式为Na3AlF6，也可写成3NaF·AlF3。氟化钠与氟化铝的分子数之比称为冰晶石的分子比。分子比为3时，冰晶石呈中性；分子比小于3时，冰晶石呈酸性；分子比大于3时，冰晶石呈碱性。 理论上讲，冰晶石在电解生产中是不消耗的。但实际上冰晶石中氟化铝的挥发及被水份溶解，氟化钠被电解槽炭素内衬吸收及操作时机械损失等原因，冰晶石再生产过程中有一定消耗。在正常情况下，大约1吨铝需消耗冰晶石5～15kg冰晶石。 （2） 氟化铝 氟化铝(AlF3)是一种极细的白色粉末，其颗粒比氧化铝稍大，流动性次之，不粘手，在常压下加热不熔化，而在高温下升华。它是冰晶石-氧化铝熔盐的一种添加剂。这样既可弥补电解质中AlF3的挥发损失，又可以调整电解质的分子比，保证生产技术条件的稳定。其单耗一般为20-30kg/t-Al。 （3） 氟化钠 氟化钠(NaF)也是一种白色粉末，易溶于水，也是电解质的一种添加剂，但多用于电解槽的启动和启动初期。因为此时炭素内衬强烈地选择吸收氟化钠而是分子比下降。实际生产中，多用于碳酸钠代替氟化钠，这样更经济。 （4） 氟化钙 氟化钙(CaF2)是电解质主要添加剂之一，添加氟化钙一般在焙烧装炉时用之，其作用是起到矿化剂的作用，可以加速炉帮的形成，形成的炉帮较为坚固。同时可以降低电解质的初晶温度，从而降低电解温度。 （5） 氟化镁 氟化镁(MgF2)跟氟化钙作用基本相似，但氟化镁一般在电解槽启动后期添加，可加速炉帮的形成。槽中添加MgF2，其作用比CaF2作用强烈，实践证明这是一种较好的添加剂。 3 炭素材料 铝电解过程中，高温的具有很强的侵蚀性的冰晶石溶液直接同电极接触。在各种材料当中，能够抵抗这种侵蚀性并且能良好地导电而又价格低廉的唯有炭素材料。因此目前铝电解生产中均采用炭阳极和炭阴极。炭阳极在电解过程中参与电化学反应而连续消耗，炭阴极原则上只破损而不消耗。在炭阴极上经常有一层铝液覆盖着，这层铝液实际上就是阴极。 铝电解用的炭阳极分为两大类：自焙阳极和预焙阳极。自焙阳极依导电方是不同又分为旁插棒式阳极和上插棒式阳极。预焙阳极依电解过程中阳极本身是否连续使用又分为连续式阳极和不连续式阳极。 预焙阳极炭块是预焙槽上的阳极，在电解过程中参与电化学反应而连续消耗，其消耗速度一般为0.8-1.0mm/h，其单耗一般为400-450kg/t-Al，总耗一般为500-600 kg/t-Al。需定期更换阳极。 由于预焙阳极消耗而使杂质进入铝液中去，所以对阳极块的理化要求是很严格的。在化学成分上，要求灰分越低越好，尤其对硅、铁、镍、钒的含量要严加控制；在物理性能上要求电阻率和气孔率要小。 山西阳煤集团的兆丰铝冶公司所用电解槽系列电流强度为300kA，并且该厂的技术经济指标等在国内处于先进水平，是国内的现在的主流槽型，参考兆丰铝冶的技术经济指标并列于下表3-7。 表3-4 阳极炭块质量标准 项目 质量 kg/块 密度g/cm3 电阻率 Ω·cm < 抗压强度>MPa 抗拉强度MPa 气孔率<%   热膨胀率20～950℃ % CO2氧化损失