金屬鋁的生產(chǎn)方法新進展

1、金屬鋁的生產(chǎn)方法新進展 金屬鋁的生產(chǎn)方法新進展摘 要： 現(xiàn)代金屬鋁的生產(chǎn)工藝主要是冰晶石氧化鋁熔鹽電解法工藝。氧化鋁的生產(chǎn)方法有多種，工業(yè)上用的主要是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁，也有用拜耳燒結(jié)聯(lián)合法等工藝處理低品位鋁土礦。電解過程是在電解槽中進行。直流電通入電解槽，槽內(nèi)陰陽兩極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，陰極生成金屬鋁液，陽極生成CO 和 CO2氣體。鋁液定期用真空抬包吸出，經(jīng)過凈化澄清后，澆注成商品鋁錠。陽極氣體經(jīng)凈化后，廢氣排空，回收的氟化物返回電解槽。關(guān)鍵詞 ：拜耳法；鋁電解；氧化鋁；反應(yīng)緒論引言1854 年，法國化學(xué)家德維爾把鋁礬土、木炭、食鹽混合，通入氯氣后加熱得到 NaCl AlCl 3復(fù)鹽，再將此復(fù)鹽

2、與過量的鈉熔融，得到了金屬鋁。直到1886年， 美國的豪爾和法國的海朗特，分別獨立地電解熔融的鋁礬土和冰晶石的混合物制得了金屬鋁，奠定了今天大規(guī)模生產(chǎn)鋁的基礎(chǔ)。鋁元素鋁位于元素周期表中第三周期第IIIA 族，相對密度2.70。 熔點660。沸點2327。鋁在地殼中分布很廣，鋁的活潑性強，不易被還原，在干燥空氣中鋁的表面立即形成厚約50 埃的致密氧化膜，使鋁不會進一步氧化并能耐水；但鋁的粉末與空氣混合則極易燃燒；熔融的鋁能與水猛烈反應(yīng)；高溫下能將許多金屬氧化物還原為相應(yīng)的金屬；鋁是兩性的，即易溶于強堿，也能溶于稀酸。航空、建筑、 汽車三大重要工業(yè)的發(fā)展，要求材料特性具有鋁及其合金的獨特性質(zhì)，這就

3、大大有利于這種新金屬鋁的生產(chǎn)和應(yīng)用。應(yīng)用極為廣泛。鋁的性質(zhì)鋁具有很大的強度質(zhì)量比,鋁的強度隨溫度降低而增大。鋁具有良好的防腐蝕性能。在空氣中，鋁表面生成一層厚度約2 10-5cm，光滑的硬氧化鋁薄膜，緊緊粘附在鋁表面。鋁是優(yōu)良的導(dǎo)電材料，具有良好的導(dǎo)熱性能。鋁的另一個重要特性是能夠和多種金屬構(gòu)成有用的合金。鋁土礦鋁土礦是含鋁礦物和赤鐵礦、針鐵礦、高嶺石、銳鐵礦、金紅石、鈦鐵礦等礦物的混合礦，一般是指工業(yè)上能利用的，以三水鋁石、一水軟鋁石或一水硬鋁石為主要礦物所組成的礦石的統(tǒng)稱。鋁土礦是生產(chǎn)金屬鋁的最佳原料。我國鋁土礦資源比較豐富，分布甚廣，并根據(jù)本國的鋁礦資源特點，發(fā)展出多種氧化鋁生產(chǎn)方法。

4、50 年代初就已用堿石灰燒結(jié)法處理鋁硅比只有3.5的純一水硬鋁石型鋁土礦,開創(chuàng)了具有特色的氧化鋁生產(chǎn)體系。用中國的燒結(jié)法,可使Al2O3的總回收率達(dá)到90%； 每噸氧化鋁的堿耗（Na2CO3）約90公斤； 氧化鋁的SiO2含量下降到0.02 0.04；而且在50 年代已經(jīng)從流程中綜合回收金屬鎵和利用赤泥生產(chǎn)水泥。 60 年代初建成了拜耳燒結(jié)混聯(lián)法氧化鋁廠，使Al 2O3總回收率達(dá)到91，每噸氧化鋁的堿耗下降到60 公斤，為高效率地處理較高品位的一水硬鋁石型鋁土礦開創(chuàng)了一條新路。中國在用單純拜耳法處理高品位一水硬鋁石型鋁土礦方面也積累了不少經(jīng)驗。鋁土礦處理方法從鋁礦提取鋁有兩個方案，第一個方案是

5、選用高品位鋁土礦，先用化學(xué)方法從礦石中提取純凈的氧化鋁，然后用電解法從氧化鋁中提取純凈的鋁。第二個方案是選用低品位的鋁土礦，經(jīng)過物理選礦，分離掉一部分硅酸鹽礦物后，送入溶出流程中去，提取氧化鋁；或者用化學(xué)法分離掉一部分氧化鐵和氧化鈦后，在電解槽或電弧爐內(nèi)還原出鋁-硅 -鐵 -鈦合金。我國鋁土礦特點1）儲量集中于煤或水電豐富的地區(qū)，有利于開發(fā)利用。山西、貴州、河南和廣西壯族自治區(qū)儲量合計占全國儲量的85.5%，加上其煤炭和水利資源，為其提供了發(fā)展鋁工業(yè)的有利條件。2）礦床類型以沉積型為主，坑采儲量比重較大。3）一水硬鋁石型礦石占絕對優(yōu)勢。其特點是高鋁、高硅和低鐵，鋁硅比偏低，一般在47 之間，鋁

6、硅比在10 以上的相對少些。在福建、河南和廣西有 少量的三水鋁石型鋁土礦。3 氧化鋁的生產(chǎn)氧化鋁，又稱三氧化二鋁，分子量101.96，通常稱為“鋁氧”，是一種白色無定形粉狀物，俗稱礬土。生產(chǎn)氧化鋁的方法有酸法、堿法、 酸堿聯(lián)合法、熱法。堿法生產(chǎn)氧化鋁堿法生產(chǎn)氧化鋁，就是用堿（NaOH 或 Na2CO3）處理鋁土礦，使礦石中的氧化鋁水合物和堿反應(yīng)生成鋁酸鈉溶液。鋁土礦中的鐵、鈦等雜質(zhì)和絕大部分的二氧化硅則成為不溶性的化合物進入固體殘渣中。這種殘渣被稱為赤泥。鋁酸鈉溶液與赤泥分離后，經(jīng)凈化處理，分解析出A1（OH） 3， 將 A1（OH）3與堿液分離并經(jīng)過洗滌和焙燒后，即獲得產(chǎn)品氧化鋁。堿法生產(chǎn)氧

7、化鋁一般有拜耳法、燒結(jié)法和拜耳燒結(jié)聯(lián)合法。拜耳法拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的基本原理是：l ）用NaOH 溶液溶出鋁土礦，所得到的鋁酸鈉溶液在添加晶種、不斷攪拌的條件下，溶液中的氧化鋁呈氫氧化鋁析出，即種分過程。2）分解得到的母液，經(jīng)蒸發(fā)濃縮后在高溫下可用來溶出新的鋁土礦，即溶出過程。交替使用這兩個過程，就能夠每處理一批礦石便得到一批氫氧化鋁，構(gòu)成所謂的拜耳法循環(huán)。用反應(yīng)方程式表示如下：Al2O（ 3 1或 3） H2O 2NaOH aq2NaAl OH 4 aq拜耳法生產(chǎn)氧化鋁一般有原礦漿制備高壓溶出赤泥分離、 洗滌晶種分解氫氧化鋁分離、洗滌氫氧化鋁焙燒等工序。燒結(jié)法燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁的基本原理是將鋁土

8、礦與一定量的純堿、石灰 （或石灰石）配成爐料在高溫下進行燒結(jié)，使氧化硅與石灰化合成不溶于水的原硅酸鈣2CaO SiO2，氧化鋁與純堿化合成可溶于水的固體鋁酸鈉Na2O Al 2O3，而氧化鐵與純堿化合成可以水解的鐵酸鈉Na2O Fe2O3，將燒結(jié)產(chǎn)物（熟料）用稀堿溶液溶出時Na2O Al 2O3便進入溶液，Na2O Fe2O3水解放出堿，氧化鐵以水合物與原硅酸鈣一道進入赤泥。再用二氧化碳分解鋁酸鈉溶液便可以析出氫氧化鋁。經(jīng)過焙燒后產(chǎn)出氧化鋁。分離氫氧化鋁后的母液成為碳分母液（主要成分為Na2CO3） ，經(jīng)蒸發(fā)后返回配料。燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁工序一般為：生料漿的制備熟料燒結(jié)熟料溶出鋁酸鈉溶液脫硅碳酸

9、鈉分解氫氧化鋁分離、洗滌氫氧化鋁焙燒碳分母液蒸發(fā)。拜耳燒結(jié)聯(lián)合法拜耳燒結(jié)聯(lián)合法可充分發(fā)揮兩法優(yōu)點，取長補短，利用鋁硅比較低的鋁土礦，求得更好的經(jīng)濟效果。聯(lián)合法有多種形式，均以拜耳法為主，而輔以燒結(jié)法。按聯(lián)合法的目的和流程連接方式不同，又可分為串聯(lián)法、并聯(lián)法和混聯(lián)法三種工藝流程。串聯(lián)法是用燒結(jié)法回收拜耳法赤泥中的Na2O 和 Al2O3 于處理拜耳法不能經(jīng)濟利用的三水鋁石型鋁土礦。擴大了原料資源，減少堿耗，用較廉價的純堿代替燒堿，而且Al2O3 的回收率也較高。（ 2）并聯(lián)法是拜耳法與燒結(jié)法平行作業(yè)，分別處理鋁土礦，但燒結(jié)法只占總生產(chǎn)能力的10 15，用燒結(jié)法流程轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的NaOH 補充拜耳法流

10、程中NaOH 的消耗。（ 3）混聯(lián)法是前兩種聯(lián)合法的綜合。此法中的燒結(jié)法除了處理拜耳法赤泥外，還處理一部分低品位礦石。酸法生產(chǎn)氧化鋁酸法生產(chǎn)氧化鋁是用無機酸溶出黏土中氧化鋁的生產(chǎn)方法。用各種無機酸溶出處理黏土?xí)r，原料中氧化硅基本不與酸反應(yīng)，而得到含鐵的鋁鹽酸性水溶液。經(jīng)過除鐵凈化后，可通過不同的方法得到鋁鹽水合物結(jié)晶或氫氧化鋁結(jié)晶，進一步煅燒可得到氧化鋁。硫酸法硫酸法生產(chǎn)氧化鋁，用m（ SO3） : m（ Al 2O3） =2.6 的含鐵的硫酸鋁溶液，在 403K 的溫度下溶出過量的焙燒過的高硅鋁土礦，得到m（ SO2） : m（ Al 2O3）=1.81.9的硫酸鋁溶液和吸附了鐵的殘渣。分離

11、殘渣后往硫酸鋁溶液中通入SO2，將三價鐵還原成二價鐵，再在573K 的溫度下，使硫酸鋁水解析出堿式硫酸鋁。在 1423K 的溫度下煅燒堿式硫酸鋁得到成品氧化鋁和含SO3 較高的氣體。氣體用水解母液吸收后在453K 溫度下將上述吸附了鐵的殘渣中的氧化鋁充分溶出后，得到m（ SO3） : m（ Al 2O3） =2.6 的硫酸鋁溶液，再用于溶出下一批礦石。鹽酸法鹽酸法生產(chǎn)氧化鋁是用濃硫酸處理含鋁原料得到硫酸鋁溶液，進而冷卻結(jié)晶析出雜質(zhì)含量高的硫酸鋁，然后用鹽酸溶解硫酸鋁，同時通入HCl 氣體使溶液飽和，使溶液中以很純的AlCl 3 6H2O 析出。經(jīng)過洗滌后，在13731473K的溫度下煅燒獲得純

12、度比拜耳法還高的氧化鋁成品和可再生鹽酸的含HCl 氣體。4 鋁電解現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)，采用冰晶石氧化鋁熔鹽電解法。氧化鋁作溶質(zhì)，冰晶石作溶劑，氧化鋁溶解在冰晶石中形成電解質(zhì)，以炭素材料作電極，通入電流，在電解槽內(nèi)的兩極上進行電化學(xué)反應(yīng)，即電解過程。氧化鋁是鋁電解生產(chǎn)中的主原料，鋁電解對于氧化鋁的要求，一是它的化學(xué)純度，再就是其物理性能。冰晶石的分子式為Na3AlF 3，它是溶劑的主要成分。鋁電解生產(chǎn)中所用的冰晶石分天然和人造兩種。天然冰晶石的儲量很少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足鋁工業(yè)的需要，所以現(xiàn)代鋁工業(yè)采用人造冰晶石。在鋁電解生產(chǎn)中，氟化鋁是冰晶石氧化鋁熔體的一種添加劑。它的作用是可以彌補電解質(zhì)中氟化鋁的損失

13、， 又可以調(diào)整電解質(zhì)的分子比，主要用于降低熔體的分子比，降低電解溫度。以保證生產(chǎn)技術(shù)條件的穩(wěn)定。其次還需要添加氟化鈣、氟化鎂、 氟化鈉和碳酸鈉等用來調(diào)整和改善電解質(zhì)性質(zhì)的添加劑。電解質(zhì)在鋁電解生產(chǎn)中，連接陽極和陰極之間不可缺少的熔鹽體叫電解質(zhì)，它主要是以冰晶石為熔劑，氧化鋁為熔質(zhì)而組成。但在現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)中使用的電解質(zhì)并非單純的冰晶石和氧化鋁。因為冰晶石和氧化鋁含有一定數(shù)量的雜質(zhì)成分，如：氧化鈉、氧化鐵、氧化硒和氧化鈣等。另外，在電解生產(chǎn)中，為了改善電解質(zhì)的物理化學(xué)性能，有利于提高電解生產(chǎn)指標(biāo)，還向電解質(zhì)中加入某些添加劑，如，氟化鋁、氟化鎂、氟化鋰、氯化鈉等。熔融的冰晶石能夠較好的熔解氧化鋁，

14、而且所構(gòu)成的電解質(zhì)可在冰晶石的熔點1008以下進行電解，從而也降低了氧化鋁的還原溫度。在電解溫度下，熔體狀態(tài)的冰晶石或冰晶石-氧化鋁熔液的比重比鋁液的比重還小約10%，它能更好地漂在電解出來的鋁液上面。冰晶石氧化鋁熔體具有較好的流動性和良好的導(dǎo)電性。鋁電解槽鋁電解槽是煉鋁的主體設(shè)備。電解槽槽型有兩種：1)自焙陽極電解槽：上插式、側(cè)插式；2)預(yù)焙陽極電解槽：不連續(xù)、連續(xù)式。自焙槽和預(yù)焙槽比較：1)在電解過程中，陽極大約以0.81.0 mm/h速度連續(xù)消耗，自焙槽可連續(xù)使用，而預(yù)焙槽不能連續(xù)使用，須定期更換；2)自焙槽散發(fā)氟化物，瀝青煙氣，而預(yù)焙槽不散發(fā)煙氣，污染環(huán)境；3)預(yù)焙槽具有槽型大型化、操

15、作機械化和自動化、電流效率高、電耗率低、煙害小的優(yōu)點。4.3鋁電解的兩極反應(yīng)：鋁工業(yè)上均采用炭素材料作電極炭陽極和炭陰極。電解對陽極的要求：(1)導(dǎo)電率高，以降低陽極電阻；(2)導(dǎo)熱率低以降低糟的熱損失，降低陽極上部的氧化速度和防止電解質(zhì)界面凝固；(3)熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性良好，使陽極能夠在高溫和腐蝕性的環(huán)境下工作；(4)雜質(zhì)含量低，防止對金屬鋁的污染；(5)適宜的機械性能，以便經(jīng)受粗糙的搬運；(6)合適的密度和空隙率，減少金屬鋁的侵入；(7)氣體滲透率低，減少陽極內(nèi)部氧化；(8)應(yīng)有適宜的抗熱震性。在電解過程中，炭陰極原則上是不消耗的，炭陽極由于直接參與電化學(xué)反應(yīng)而消耗。陽極的作用主要有：導(dǎo)

16、電和參加電解時的化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)。在電解過程中，陽極是消耗的，其理論消耗是334kg/t Al ，而實際消耗一般為380450kg/t Al ，這與陽極質(zhì)量、電解技術(shù)條件有關(guān)。降低陽極消耗可以提高鋁廠的電流效率、降低電耗和增加鋁產(chǎn)量，從而提高經(jīng)濟效益。陰極反應(yīng)：Al 3 （配離子） 3e Al陽極反應(yīng)：2O2 （配離子） C 4e CO2總反應(yīng)：2Al 2O3 3C 4Al 3CO2鋁電解的生產(chǎn)過程鋁電解槽全部生產(chǎn)過程包括三個階段：焙燒期、 啟動和啟動后期、正常生產(chǎn)期。1）鋁電解槽的焙燒期焙燒期在于焙燒自焙陽極（對預(yù)焙槽則是加熱陽極）以及加熱陰極，達(dá)到9001000，以便下一步啟動。自焙陽

17、極新槽采用焦粒焙燒法，預(yù)焙陽極槽采用鋁液焙燒法。2）鋁電解槽的啟動期啟動期在電解槽內(nèi)熔化電解質(zhì)，開始鋁電解。分干式和常規(guī)啟動兩種。干式適用于啟動新系列中的頭幾臺槽，當(dāng)時廠房內(nèi)無現(xiàn)成的熔融電解質(zhì)和鋁液， 只好在新槽內(nèi)熔化所需的電解質(zhì)和鋁；常規(guī)啟動適用已有電解槽生產(chǎn)，在開始時從正在進行鋁電解槽內(nèi)取出電解液和鋁液倒入新啟動的槽內(nèi)，以加速啟動過程。3）鋁電解槽的正常生產(chǎn)期電解槽經(jīng)過焙燒和啟動之后便進入正常生產(chǎn)期，直到停槽為止，正常生產(chǎn)期通常延續(xù)57 年。鋁電解用惰性電極惰性陽極采用惰性陽極取代炭陽極, 在冰晶石熔液中的溶解度小，在高溫下具有良好的導(dǎo)電性，為電解鋁工業(yè)帶來巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。迄今為

18、止, 大多數(shù)惰性陽極材料的研究主要集中在金屬或合金、金屬氧化物陶瓷以及金屬陶瓷方面。金屬 （ 合金 ） 具有良好的導(dǎo)電性、強度和抗熱震性等優(yōu)點, 是較理想的鋁電解陽極材料。但除某些貴金屬外, 金屬陽極在鋁電解槽的生產(chǎn)環(huán)境中不能充分抵御冰晶石熔體腐蝕和陽極產(chǎn)生的高溫氧氣的氧化。氧化物陶瓷材料由于其顯著的化學(xué)惰性而倍受關(guān)注。但幾乎所有的氧化物在冰晶石熔體中都會有不同程度的溶解, 其中SnO2 基氧化物、尖晶石類和CeO2涂層溶解速度緩慢被作為陽極材料的首選。金屬陶瓷集中了陶瓷材料（ 低的腐蝕速率和抗氧化性） 和金屬材料（ 良好的導(dǎo)電性和較高的抗熱沖擊強度） 的優(yōu)點 , 其氧化物基體形成抗腐蝕網(wǎng)絡(luò),

19、 網(wǎng)絡(luò)中的金屬相增強了材料的導(dǎo)電性, 被看作是最有前途的惰性陽極的材料。惰性陰極采用惰性陰極材料時，鋁離子可以直接在惰性陰極上放電生成鋁。槽內(nèi)積存的鋁液不再用陰極，所以鋁液涌動所致的波峰減弱，兩極間距可以明顯減弱，從而節(jié)省電能。鋁液還能良好地濕潤惰性陰極，使槽內(nèi)氧化鋁沉淀物不能停留在陰極表面上；鋁液從陰極上淌下來匯集在槽內(nèi)凹溝中減輕了槽生產(chǎn)操作中磁流體攪動的各種干擾，提高電能效率。鋁電解過程的兩極副反應(yīng)陰極副反應(yīng)（ 1）鋁的溶解和損失：金屬鋁部分地溶解在冰晶石熔體中。一般認(rèn)為，陰極鋁液在電解質(zhì)里的溶解有以下幾種情況：溶解在熔融冰晶石中的鋁，生成低價鋁離子和雙原子的鈉離子。2Al Al 3 3A

20、lAl 6Na Al 3 3Na在堿性電解質(zhì)中，鋁與氟化鈉發(fā)生置換反應(yīng)。Al 3NaF AlF3 3Na鋁以電化學(xué)反應(yīng)形式直接溶解進入電解質(zhì)熔體中Al（ 液 ） e Al此外，鋁也可能以不帶電荷狀態(tài)溶解在電解質(zhì)中，構(gòu)成金屬霧。金屬鈉的析出電解過程中陰極的主反應(yīng)是析出鋁而不是鈉，因為鈉的析出電位比鋁低。但是，隨著溫度升高，電解質(zhì)分子比增大，氧化鋁濃度減少，以及陰極電流密度提高， 鈉與鋁的析出電位差越來越小，而有可能使鈉離子與鋁離子在陰極上一起放電，析出金屬鈉：Na e Na此外，在堿性電解質(zhì)中，溶解的鋁也可能發(fā)生下列反應(yīng)而置換出鈉：Al 6NaF Na3AlF6 3Na析出的鈉少部分溶解在鋁中，

21、剩下的一部分被陰極炭素內(nèi)襯吸收，一部分以蒸汽狀態(tài)揮發(fā)出來（鈉的沸點為880） ，在電解質(zhì)表面被空氣或陽極氣體所氧化，產(chǎn)生黃色火焰?？赡艿姆磻?yīng)為：4Na O2 2Na2O2Na CO2 Na2O CO2Na CO Na2O C陽極副反應(yīng)冰晶石氧化鋁熔鹽電解在電解過程發(fā)生主反應(yīng)的同時，伴隨著一系列副反應(yīng)，主要發(fā)生如下反應(yīng)：2Al （溶解的）3CO2 Al 2O3十 3CO此外， 由于碳陽極散落掉渣，分離后飄浮在電解質(zhì)表面，當(dāng)二氧化碳?xì)怏w與這些碳渣接觸時，會發(fā)生還原反應(yīng)而生成一氧化碳。C CO2 2CO陽極效應(yīng)陽極效應(yīng)是鋁電解過程中發(fā)生在陽極上的一種特殊現(xiàn)象。當(dāng)其發(fā)生時，陽極上出現(xiàn)許多細(xì)小的電弧，發(fā)

22、出輕微的噼啪聲，此時槽電壓已從正常值（如4.2V）升高到數(shù)十伏。陽極效應(yīng)也在其它種類的熔鹽電解中發(fā)生，例如鈣電解，但在鋁電解中最普遍。陽極效應(yīng)對鋁電解生產(chǎn)有利也有弊。陽極效應(yīng)發(fā)生時可以利用效應(yīng)來檢查電解槽的生產(chǎn)狀態(tài)是否正常；冷槽時可用效應(yīng)提供熱量調(diào)整熱平衡；偶爾發(fā)生陽極效應(yīng)對清理電解質(zhì)中的碳粒和陽極底掌是有益的。但是陽極效應(yīng)的發(fā)生會增加電能消耗和各種原材料的損失，影響槽內(nèi)鋁質(zhì)量；影響系列的供電穩(wěn)定，尤其在供電容量額定的情況下，效應(yīng)過于頻繁易造成供電和生產(chǎn)之間的惡性循環(huán)，這樣既影響供電又影響生產(chǎn)的正常進行；增加勞動量，惡化場所，打亂作業(yè)計劃。陽極效應(yīng)對鋁電解生產(chǎn)利少弊多，所以， 一般把效應(yīng)系數(shù)控

23、制在較低范圍內(nèi)。4.7鋁電解的電流效率鋁電解的電流效率通常是指陰極上實際產(chǎn)出的鋁量對于理論上按照法拉第定律計算的鋁量的百分?jǐn)?shù)。它是鋁電解的一個重要的基本生產(chǎn)指標(biāo)，涉及到鋁電解槽的產(chǎn)量與能耗，而這兩者對鋁生產(chǎn)的成本有直接影響?，F(xiàn)代大型預(yù)焙陽極電解槽的電流損失，造成電流效率降低，主要原因是：（ 1）二次反應(yīng)，即電解出來的鋁又溶解或機械混入到電解質(zhì)中，并被循環(huán)著的電解質(zhì)帶到陽極空間或電解質(zhì)表面，為陽極氣體中的CO2 或空氣中的氧所氧化。這是電流效率降低的基本原因。這一現(xiàn)象在壓鋁，兩水平波動較大，電解質(zhì)溫度過高或低時最明顯。（ 2）其它離子的放電。這里主要是鈉離子放電生成鈉原子，由于鈉原子在電解質(zhì)中溶

24、解度很小，加之本身沸點很低，大部分將以氣體狀態(tài)蒸發(fā)或滲入槽底。這一現(xiàn)象在分子比較高時容易發(fā)生。（ 3）電流空耗，包括Al 3+不完全放電，以及電解質(zhì)時的V5+、 P5+、 Ti4+等高價離子不完全放電生成相應(yīng)的低價離子被電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到陽級空間后，又再氧化成高價離子，即：Al 3 2e Al（陰極上）Al 2e Al 3（陽極上）如此循環(huán)，造成電流空耗。這種現(xiàn)象在陰極表面的電子密度（即電流密度）較小時，如爐溫過高、化爐膛時，或整流所突然限電時比較明顯。（ 4）漏電，通常是爐幫結(jié)殼熔化，并且電解質(zhì)面上有大量炭渣時發(fā)生，即電流有可能連接槽殼與格子板之間，及鐵渣箱體與槽殼接觸等均可造成漏電損失。電流效率

25、的影響因素有：電解質(zhì)溫度、極距、電解質(zhì)成分、電流密度、鋁液高度。既然電流效率降低的主要原因是熔解鋁的再氧化（二次反應(yīng)）損失，那么提高電流效率的措施可以從控制鋁損失過程中探索，具體措施有：（ 1）在適當(dāng)?shù)偷倪^熱溫度下進行電解；電解質(zhì)溫度正常與否，對電解槽電流效率等工作指標(biāo)有著決定性的影響，根據(jù)我廠實踐中的多次測量表明，電解質(zhì)溫度每升高10，電流效率大約降低12%。電解質(zhì)溫度過低會使電解質(zhì)發(fā)粘，致使鋁珠與電解質(zhì)分離困難，反而易于鋁的損失，使電流效率降低。（ 2）建立和保持理想的槽膛內(nèi)型；極距增大，電解質(zhì)攪拌強度將減弱，因為相同的陽極氣體量所攪拌的兩極間的液體量增加，攪拌減弱，則使擴散層厚度增加，使

26、用使鋁損失減少，電流效率提高。但極距超過某一限度，電流效率變化不大，因此，力求使極距保持在實際所能允許的最小值，否則隨著極距增加，不但不能提高電流效率，反而使槽電壓徒然升高，加大電耗、最終還是不利于降低產(chǎn)品成本。（ 3）電解質(zhì)成分；當(dāng) CR（ NaF/AlF3之重量比）小于1.5，有過剩AlF 3時，電流效率開始提高，這是由于此時鋁液與電解質(zhì)之間界面張力增大，有利于分散于電解質(zhì)中的鋁珠匯集，且鋁的溶解度減小的緣故。同時在酚性電解質(zhì)中，Na+的放電及鋁自電解質(zhì)中取代鈉的反應(yīng)減弱；但電解質(zhì)過酸，又使生成低價氟化鋁反應(yīng)增強，增加鋁的損失。因此，鋁電解生產(chǎn)一般采用弱酸性電解質(zhì)，其分子比（CR）在1.2

27、51.35之間。（ 4） Al 2O3濃度；在冰晶石Al 2O3熔體中，在5%（重量）Al 2O3時，電流效率最低，大于或小于此電流效率均能升高，大型預(yù)焙槽生產(chǎn)，采用 Al 2O3濃度：2.53.0%較適宜。5）電流密度；為了取得較高電流效率，陰極電流密度不能過高，也不能過低，因為陰極電流密度過低時，由于單位陰極面積上的電子密度過小，Al 3+產(chǎn)生不完全放電；陰極電流密度過高時，則發(fā)生Na+大量放電，兩者都會造成電流無謂的消耗，從而降低了電流密度。因而陰極電流密度有一個對應(yīng)最高電流密度的臨界值臨界陰極電流密度。陽極電流密度增大，陽極氣體的析出量增加，對電解質(zhì)液攪拌加強，使溶解金屬的擴散系數(shù)增大

28、，二次反應(yīng)加快，電流效率將降低；陽極電流密度減小時，陽極氣體的析出排出的速度減弱，攪拌減小時，電流效率提高，但陽極電流密度保持過小，則系列電流強度也將變小，不利于強化生產(chǎn)，最終電流效率也無法保證。6）盡可能使槽內(nèi)鋁液保持平靜并處于一定水平；槽內(nèi)鋁液水平較高時，則可較快地使這部分多余的熱量疏導(dǎo)出去，從而減少陽極下部和側(cè)部溫度差，避免二次反應(yīng)，從而提高電流效率。但鋁液水平過高不僅使?fàn)t膛爐溫偏低，陰極電流密度增大，降低電流效率，而且傳熱量加大、熱損失過大、也使電耗增加。7）選用低熔點的電解質(zhì)組成，使用惰性的可濕潤陰極，如二氧化硼涂層陰極。4.8鋁電解的電能效率所謂電能效率是指在電解槽生產(chǎn)一定量鋁時，

29、理論上應(yīng)耗電能（W理 ）與實際消耗電能（W 實 ）之比。以百分?jǐn)?shù)表示：電能 （ %） =W理100%電能W實理論電耗是指為了使電解過程能連續(xù)而穩(wěn)定地進行，理論上應(yīng)付出的最低電能。 鋁電解槽的槽工作電壓主要由以下幾部分組成：氧化鋁的實際分解電壓、陽極電壓降、陰極電壓降、電解質(zhì)電壓降、母線電壓降和陽極效應(yīng)分?jǐn)傠妷航?。鋁電解的節(jié)能措施鋁電解的節(jié)能根本途徑是降低槽平均電壓和提高電流效率。提高電流效率的 措施前文已提及，下面主要是降低槽平均電壓的措施：鋁電解槽的槽工作電壓主要由以下幾部分組成：氧化鋁的實際分解電壓、陽 極電壓降、陰極電壓降、電解質(zhì)電壓降、母線電壓降和陽極效應(yīng)分?jǐn)傠妷航怠?）減小電解質(zhì)電壓

30、降。電解質(zhì)的電壓降與其電阻率、陽極浸入電解質(zhì)的表面積、鋁液鏡面面積、極間距離等因素有關(guān)。其中最主要的是電阻率和極間距離。電解質(zhì)的電阻率在工業(yè)電解槽內(nèi)經(jīng)常有碳渣，主要是從陽極上掉下來的，炭渣越細(xì)夾雜在電解質(zhì)里的數(shù)目越多，電解質(zhì)導(dǎo)電率所受的影響越大。所以， 采用弱酸性電解質(zhì)并添加能夠減小電解質(zhì)對于炭粒濕潤性的物質(zhì)如CaF2和 MgF2，使炭渣漂浮起來?？梢栽陬A(yù)焙槽上用氧化鋁或電解質(zhì)顆粒覆蓋在陽極上保護陽極，而在自焙槽上放置淌糊。在電解質(zhì)里還有懸浮的固體氧化鋁也會增大電解質(zhì)的電阻率，所以應(yīng)嚴(yán)格控制其數(shù)量。另外，添加鋰鹽或NaCl 也能夠提高電解質(zhì)的導(dǎo)電率。適當(dāng)縮短極距據(jù)工業(yè)電解槽測定，每1cm 極距

31、所對應(yīng)的電解質(zhì)電壓降，側(cè)插棒槽為400450mV，預(yù)焙槽為300330mV。因此，改進槽體結(jié)構(gòu)材料，極距可大幅降低，進而可節(jié)省電能。2）減小極化電壓極化電壓包括理論可逆分解電壓、陽極過電壓和陰極過電壓等部分?？梢栽龃箨枠O截面積以減小其電流密度，或者添加鋰鹽，增大陽極活性，在電解質(zhì)內(nèi)添加堿土金屬鹵化物，或添加AlF 3、增大Al 2O3濃度都有助于減小陽極過電壓。3）在現(xiàn)有的電解槽上加大導(dǎo)電母線的截面積導(dǎo)線電壓降取決于其電阻率、電流密度和長度。可以加大導(dǎo)線的截面積，減小電流密度，進而使其電壓降減小。4）改善導(dǎo)體接觸點在電解槽中，金屬導(dǎo)體之間的接觸點很多，所以消耗電能很大，需要改善。壓接點應(yīng)定期清

32、刷，焊接點亦應(yīng)保持平整，可使電壓降減小。5）減小陽極電壓降可以擴大現(xiàn)有陽極的截面積，即充分利用槽殼增大陽極在槽膛內(nèi)的填充率。這樣在不增加鋁損失的情況下降低槽電壓。6）減小陰極電壓降陰極電壓降是指從鋁液至陰極棒頭這段導(dǎo)體中的電壓降。改善陰極棒的電流分配狀況可以減小陰極電壓降。7）減小陽極效應(yīng)發(fā)生陽極效應(yīng)所升高的平均電壓為：k（V效應(yīng)V工作 ） 效應(yīng)V效應(yīng) =1440減少陽極效應(yīng)次數(shù)并縮短效應(yīng)時間，可以節(jié)能省電。在生產(chǎn)上采取勤加工少下料的操作方法 以減少陽極效應(yīng)的發(fā)生。（ 8）電介質(zhì)溫度隨著電解質(zhì)溫度降低，會發(fā)生靠近陰極的電解質(zhì)中溶解鋁的濃度降低；黏度增大，陰極氣體體積減小，從而使擴散層厚度增加；

33、擴散系數(shù)減小。這些使溶解鋁擴散速度減小，使鋁損失降低，提高電流效率。5 鋁的精煉鋁的純度分類原鋁。通常是指用熔鹽電解法在工業(yè)電解槽內(nèi)制取的鋁，其純度一般為 99.5%99.85%。（ 2）精鋁。一般來自三層液精煉電解槽。在精煉槽內(nèi)，原鋁和銅配成的合金作為陽極，冰晶石-鋇鹽熔液作為電解質(zhì)，析出在陰極上的精鋁，其純度通常在 99.9999.999%。（ 3）高純鋁。主要用區(qū)域熔煉法制取。選用精鋁作原料，得到雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過1 10-6 的高純鋁。高純鋁還可用有機鋁化合物物電解與區(qū)域熔煉相結(jié)合的方法制取。鋁液凈化往鋁液中通入惰性氣體（如氮氣）或活性氣體（氯氣），可使鋁液中的固態(tài)夾雜物吸附在氣泡上，

34、并隨氣泡上升至鋁液表面,最后在過濾層中分離。凈化方法：在低溫（剛剛?cè)埸c以上）長時間靜止或通入氮氣加以攪拌，清除氫。通入氯氣，與鋁反應(yīng)生成氯化鋁氣泡。比氮氣效果好。鋁的精煉方法鋁的電解精煉原理電解精煉的最終結(jié)果是從陽極合金中溶解出來，并在陰極上沉積，得到純度為 99.99%的精鋁。在陽極合金的各種金屬元素當(dāng)中，只有鋁在陰極上溶解出來。陽極合金中，如銅、鐵、硅之類比不活潑的金屬元素，并不溶解，仍然殘留在合金內(nèi)。陽極上的電化學(xué)溶解反應(yīng)是：Al 3e Al 3因此，電解液中除了原有的Al 3+、 Ba2+、 Na+、 F-、 Cl-、 AlF 3-6、 AlF 4-之外，增加了上述反應(yīng)中的鋁離子Al

35、3+。遷往陰極的各種陽離子中，鋁的電極電位比較正，故 Al 3+優(yōu)先在陽極上獲得電子，析出金屬鋁：Al 3 3e Al而其余的各種陽離子，如Ba2+，Na+之類，并不放電。但是電解質(zhì)本身所含的電位比鋁更正的元素，例如 Si 和Fe， 卻會在陰極上析出，使鋁的純度降低。鋁的偏析法精煉原理一般當(dāng)原鋁從熔融狀態(tài)下徐緩冷卻，到達(dá)其初晶點時，結(jié)晶析出純度很高的鋁粒，然后將此種鋁粒跟剩余的鋁液分離，便得到所要求的偏析法產(chǎn)物，可從99.8%的原鋁中提取到純度為99.95%的鋁，其提取率為510%。偏析法精煉鋁具有產(chǎn)量大、能耗低、 成本低的優(yōu)點，但是這種方法生產(chǎn)的精鋁純度較低。5.3.3 區(qū)域熔煉法制取高純鋁

36、在鋁的凝固過程中，雜質(zhì)在固相中的溶解度小于在熔融金屬中的溶解度，因此，當(dāng)金屬凝固時，大部分雜質(zhì)將匯聚在熔區(qū)內(nèi)。如果逐漸移動熔區(qū)，則雜質(zhì)會跟著轉(zhuǎn)移,最后富集在試樣的尾部。這種方法的分離效果取決于元素的分配系數(shù)。分配系數(shù)是指雜質(zhì)元素在固相中和在液相中的質(zhì)量分配比率。分配系數(shù)小于1 的雜質(zhì)元素在區(qū)域熔煉中富集在試樣的尾部；分配系數(shù)大于1 的雜質(zhì)元素在區(qū)域熔煉中富集在試樣的頭部；分配系數(shù)等于1 的雜質(zhì)元素在區(qū)域熔煉中難以分離。參考文獻(xiàn) TOC o 1-5 h z 邱竹賢 . 鋁電解 M . 北京：冶金工業(yè)出版社，1995.邱竹賢 . 冶金學(xué)下卷M . 沈陽：東北大學(xué)出版社，2001.通斯塔等著，邱竹賢等譯.鋁電解理論與新技術(shù)M. 北京：冶金工業(yè)出版社，2010.Shuren Guan . Measures for saving energy in alumina Produetion C . Light Metals ， 1990.劉業(yè)翔，李劫等. 現(xiàn)代鋁電解M . 北京：冶金工業(yè)出版社，2008.邱竹賢 . 鋁電解原理與應(yīng)用M . 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.