鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程

鋁電解的發(fā)展進(jìn)程鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!鋁電解槽的演變鋁電解槽是煉鋁的主體設(shè)備。在鋁工業(yè)初期，曾采用4—8kA小型預(yù)焙陽(yáng)極電解槽。而目前大型電解槽的電流達(dá)到300一500kA。每千克鋁的電能消耗量也明顯減少。在鋁工業(yè)初期，高達(dá)42kw/h，現(xiàn)代大型預(yù)焙槽已降低到13．2kw/h。鋁電解槽的電流效率，在鋁工業(yè)初期為70％左右，現(xiàn)在已經(jīng)提高到90％一95％。鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!鋁的歷史及鋁電解的發(fā)展鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!1807年英國(guó)人戴維(H．Davy)試圖電解熔融的氧化鋁以取得金屬，沒(méi)有成功。1809年他將這種想像中的金屬命名為alumium，后來(lái)改為aluminium。1825年丹麥人奧斯特(H.C.Oersted)用鉀汞齊還原無(wú)水氯化鋁，次得到幾毫克金屬鋁，指出它具有與錫相同的顏色和光澤。1827年德國(guó)沃勒用鉀還原無(wú)水氯化鋁得到少量金屬粉末。1845年他用氯化鋁氣體通過(guò)熔融金屬鉀的表面，得到一些鋁珠，每顆重約10～15mg，從而對(duì)鋁的密度和延展性作了初步測(cè)定，指出鋁的熔點(diǎn)不高。1854年法國(guó)戴維爾(s．c．Deville)用鈉代替鉀還原NaAlCl4絡(luò)合鹽，制得金屬鋁；同年建廠，生產(chǎn)出一些鋁制頭盔、餐具和玩具。當(dāng)時(shí)鋁的價(jià)格接近黃金鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!

雖然自然界中鋁的資源儲(chǔ)量很高，但是鋁的工業(yè)生產(chǎn)卻很晚，直到19世紀(jì)20年代才真正把鋁制備出來(lái)，比金屬銅和鐵晚了兩千多年。主要原因是鋁和氧結(jié)合得十分牢固，難以把鋁分離出來(lái)。

煉鋁方法的發(fā)展可分為兩個(gè)時(shí)期：最初是化學(xué)法，然后是電解法。

鋁的工業(yè)化生產(chǎn)開(kāi)始于1855年，當(dāng)時(shí)法國(guó)人戴維爾用鈉代替鉀還原氯化鋁，制得金屬鋁。拿破侖三世預(yù)見(jiàn)到它在輕型鎧甲中的潛在應(yīng)用而使鋁的軍事應(yīng)用獲得政府支持。然而，直到冰晶石一氧化鋁熔鹽電解法實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用之前，僅生產(chǎn)出少量的鋁。

鋁電解簡(jiǎn)史鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!自從1886年發(fā)明了冰晶石一氧化鋁熔鹽電解法之后，1888年11月霍爾在美國(guó)．Pittsburgh建廠實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，1889年埃魯特在瑞士Neuhausen建廠生產(chǎn)鋁，這就是電解法工業(yè)生產(chǎn)鋁的開(kāi)始。

1888年8月奧地利科學(xué)家拜耳(K．J．Bayer)申請(qǐng)了從鋁土礦提取氧化鋁的專利。與此同時(shí)，瑞士冶金公司利用萊茵河上的水力發(fā)電，獲得了廉價(jià)的電力。由此，霍爾一埃魯特法、拜耳法以及廉價(jià)的電力推進(jìn)了美國(guó)和歐洲鋁工業(yè)的發(fā)展，于是，電解法很快取代了化學(xué)法?；瘜W(xué)法總共生產(chǎn)了約200t鋁，前后約30年，該工藝在19世紀(jì)末逐漸被淘汰。鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!目前冰晶石一氧化鋁熔鹽電解法仍然是工業(yè)煉鋁的唯一方法。多年以來(lái)，為了探索新的煉鋁方法，曾經(jīng)試驗(yàn)了多種煉鋁新方法，如碳熱法、氯化鋁法等，雖然取得了一定的進(jìn)展，但在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)都還不能在經(jīng)濟(jì)上和規(guī)模上與熔鹽電解法相匹敵。鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!1980年開(kāi)始，電解槽技術(shù)突破了175kA的壁壘，采用了磁場(chǎng)補(bǔ)償技術(shù)，配合點(diǎn)式下料及電阻跟蹤的過(guò)程控制技術(shù)，使電解槽能在氧化鋁濃度變化范圍很窄的條件下工作，為此逐漸改進(jìn)了電解質(zhì)，降低了溫度，為最終獲得高電流效率和低電耗創(chuàng)造了條件。在以后的年份中，噸鋁最低電耗曾降低到12900～13200kw·h，陽(yáng)極效應(yīng)頻率比以前降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!這是由于大型槽采取較高的陽(yáng)極電流密度，槽內(nèi)由于混合效率不高而存在氧化鋁的濃度梯度；槽壽命也有所降低，因?yàn)闋t幫狀況不理想，并且隨著電流密度增大，增加了陰極的腐蝕，以及槽底沉淀增多，后者是下料的頻率比較高，而電解質(zhì)的混合程度不足造成的。盡管如此，總的經(jīng)濟(jì)狀況還是良好的。鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!我國(guó)的電解鋁工業(yè)1954年家鋁電解廠(撫順?shù)X廠)投產(chǎn)，50多年來(lái)鋁電解生產(chǎn)技術(shù)已取得巨大成就。2001年開(kāi)始我國(guó)原鋁產(chǎn)量一直居世界位。2007年原鋁產(chǎn)量已達(dá)到1255萬(wàn)t。截至2007年底，我國(guó)有鋁電解廠120余家，現(xiàn)已能設(shè)計(jì)、制造、裝備180kA、200kA、280kA、320kA、350kA及400kA等容量的預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽以及相應(yīng)的配套工程設(shè)施，包括炭素廠、原料運(yùn)送系統(tǒng)、干法凈化系統(tǒng)與環(huán)保工程等。2004年起開(kāi)始向國(guó)外進(jìn)行鋁電解全套工程技術(shù)出口。

鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!

我國(guó)近幾年開(kāi)發(fā)應(yīng)用的200kA及其以上容量的大型預(yù)焙鋁電解槽均取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)示，以目前已開(kāi)發(fā)應(yīng)用的最大容量鋁電解槽——350kA預(yù)焙槽為例，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為：電流效率94．43％；直流電耗13310kw·h／t(A1)；陽(yáng)極凈耗397kg／t(A1)。采用干法凈化后，廠區(qū)周邊環(huán)境大氣中氟化物的含量沒(méi)有增加，煙囪與工作地帶氟化物排濃度分別為2．44mg/m3。(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為15mg／m3)、0．34mg／m3(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為15lmg/m3)；勞動(dòng)生產(chǎn)率為3.76t／(人·a)；

鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!鋁電解槽的發(fā)展分為三個(gè)階段：階段在鋁工業(yè)初期采用小型預(yù)焙陽(yáng)極，這跟碳陽(yáng)極工業(yè)的生產(chǎn)水平相適應(yīng)。第二階段按照當(dāng)時(shí)鐵合金電爐上的連續(xù)自焙電極形式，在鋁電解槽上裝設(shè)了連續(xù)自焙陽(yáng)極，自焙陽(yáng)極的采用，鋁電解槽結(jié)構(gòu)形式發(fā)展進(jìn)入第二個(gè)階段。第三階段在50年代中期，改造了原來(lái)的小型預(yù)焙槽，使之大型化和現(xiàn)代化，成為新式大型預(yù)焙槽。

鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!表各類槽型的發(fā)展和演變過(guò)程階段

槽型使用時(shí)期電流強(qiáng)度(kA)電流密度(A/cm2)直流電耗(kWh/t-Al)機(jī)械與自動(dòng)化I小型焙燒爐1920年前3～86.5～1.480000

～25000

1920～1950551.3～1.021000以下II側(cè)插槽20世紀(jì)30年代中期至今25～300.7～1.022000

～14500半機(jī)械化操作90～95III上插槽20世紀(jì)50年代中期至今1000.8以下18000～16500后期采用多種作業(yè)聯(lián)合機(jī)組100～1300.7以下18000～14500IV現(xiàn)代化預(yù)焙槽1950～1960100以下1.1～0.917000～14000今采用計(jì)算機(jī)智能模糊控制系統(tǒng)1960～1970100～1501970～1986180～2800.9～0.613900～132001986至今280～550鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!鋁是地殼中儲(chǔ)量居第三位的元素(約為8％)，在各種金屬元素中鋁居首位，但自然界未發(fā)現(xiàn)游離狀態(tài)的金屬鋁。鋁是許多礦物的重要組元，包括泥土、鋁土礦、云母、氟石、明礬石、冰晶石等，以及若干氧化物形態(tài)礦物，如剛玉、玉石、紅寶石等都含鋁元素。

1746年德國(guó)人波特(J．H-Pott)用明礬制得一種氧化物，即氧化鋁。18世紀(jì)法國(guó)的拉瓦錫(A．L.

Lavoisier)認(rèn)為這是一種未知金屬的氧化物，它與氧的親和力極大，以致不可能用碳和當(dāng)時(shí)已知的其他還原劑將它還原出來(lái)。鋁的發(fā)現(xiàn)和提取鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!1886年美國(guó)霍爾(C．M．Hall)和法國(guó)埃魯特(P.L.

T．Heroult)幾乎同時(shí)分別獲得用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法制取金屬鋁的專利。1888年在美國(guó)匹茲堡建立世界上家電解鋁廠，鋁的生產(chǎn)從此進(jìn)入新的階段。1956年世界鋁產(chǎn)量開(kāi)始超過(guò)銅而居有色金屬的首位，成為產(chǎn)量?jī)H次于鋼鐵的金屬。

鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!

1854年德國(guó)人本森(R．Bunsen)用電解NaAlcl。熔鹽制得了金屬鋁。當(dāng)時(shí)，由于電價(jià)格太高而且不能獲得大電流，因而不能進(jìn)行工業(yè)電解試驗(yàn)。1867年發(fā)明了發(fā)電機(jī)并在1880年加以改進(jìn)，這種電源才可用于工業(yè)生產(chǎn)。1883年美國(guó)布拉雷(Bradley)提出冰晶石一氧化鋁熔鹽電解方案。3年之后即1886年，美國(guó)的霍爾和法國(guó)的埃魯特都在當(dāng)年通過(guò)實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)了冰晶石·氧化鋁熔鹽電解法的專利，這就是霍爾一埃魯特法。這一方法的要點(diǎn)仍是近代鋁電解工業(yè)的基礎(chǔ)。

鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!以后，其他各國(guó)相繼采用冰晶石一氧化鋁熔鹽電解法煉鋁，英國(guó)開(kāi)始于1890年，德國(guó)為1898年，奧地利為1899年，挪威為1906年，意大利為1907年，西班牙為1927年，蘇聯(lián)為1931年，中國(guó)為1938年。

冰晶石一氧化鋁熔鹽電解法發(fā)明120多年來(lái)，全世界的鋁產(chǎn)量已有極大的增長(zhǎng)。1890年是化學(xué)法和電解法的交替時(shí)代，原鋁的產(chǎn)量只有180t左右。1970年達(dá)到1000萬(wàn)t，1980年為1625萬(wàn)t，2000年突破了2400萬(wàn)t，2007年已超過(guò)2500萬(wàn)t。鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!20世紀(jì)80年代以前，工業(yè)鋁電解的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)重要階段，其標(biāo)志性的變化有：電解槽電流由24kA、60kA增加至100～150kA；槽型主要由側(cè)插棒式(及上插棒式)自焙陽(yáng)極電解槽改變?yōu)轭A(yù)焙陽(yáng)極電解槽；電能消耗由噸鋁22000kw·h降低至15000kw·h；電流效率由70%～80％逐步提高到85%，～90％。鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!80年代中葉，電解槽更加大型化，點(diǎn)式下料量降低到每次2kg氧化鋁，采用了單個(gè)或多個(gè)廢氣的捕集系統(tǒng)，采用了微機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)，對(duì)電解槽能量參數(shù)每5s進(jìn)行采樣，還采用了自動(dòng)供料系統(tǒng)，減少了灰塵對(duì)環(huán)境的影響。進(jìn)入90年代，進(jìn)一步增大電解槽容量，噸鋁投資較以前更節(jié)省，然而大型槽(特別是超過(guò)300kA的電解槽)能耗并不低于80年代初期較小的電解槽，

鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!90年代以來(lái)，電解槽的技術(shù)發(fā)展有如下特點(diǎn)：

(1)電流效率達(dá)到96％。

(2)電解過(guò)程的能量效率接近50％，其余的能量成為電解槽的熱損失而耗散；

(3)陽(yáng)極的消耗方面，炭陽(yáng)極凈耗降低到0.397kg／kg(A1)；

(4)盡管設(shè)計(jì)和材料方面都有很大的進(jìn)步，然而電解槽側(cè)部仍需要保護(hù)性的爐幫存在，否則金屬質(zhì)量和槽壽命都會(huì)受負(fù)面影響；

(5)維護(hù)電解槽的熱平衡(和能量平衡)更顯出重要性，既需要確保極距以產(chǎn)生足夠的熱能保持生產(chǎn)的穩(wěn)定，又需要適當(dāng)增大熱損失以形成完好的爐幫，提高槽壽命。鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!在電解槽設(shè)計(jì)中，已掌握“三場(chǎng)”仿真技術(shù)，在模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)方面采用了ANSYS和MHD等軟件；能較好地處理電解槽的磁場(chǎng)、流場(chǎng)、熱一電平衡等問(wèn)題，為大型和特大型預(yù)焙槽的設(shè)計(jì)和制造奠定了基礎(chǔ)。

鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!據(jù)報(bào)道，目前國(guó)際上電解鋁廠電流效率最高的電解槽為Alcan一Pechiney公司在加拿大魁北克的325kA電解槽系列，年平均電流效率為96．0％，電耗13000kW·h／t(A1)，炭陽(yáng)極凈耗397k/t(A1)。世界上最大的500kA電解槽AP50，長(zhǎng)18m，寬5m，電流效率為95．0％。

以上數(shù)據(jù)表明，我國(guó)鋁電解技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但是要看到我國(guó)多數(shù)中等規(guī)模鋁廠此水平還有相當(dāng)大的差距，有待改進(jìn)提高。

鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!鋁電解槽的分類(1)按槽型分，現(xiàn)代鋁工業(yè)共有兩類、共四種形式的電解槽：①自焙陽(yáng)極電解槽：側(cè)插棒式和上插棒式；②預(yù)焙陽(yáng)極電解槽：不連續(xù)式（中部打殼式和邊部打殼式）和連續(xù)式。(2)按電流強(qiáng)度可分為大、中、小型電解槽。大致范圍如下：①大型電解槽(100KA以上);②中型電解槽(45～100KA);③小型電解槽(45KA以下)。

鋁電解槽的發(fā)展進(jìn)程共24頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁(yè)!電解槽大型化是我國(guó)鋁工業(yè)發(fā)展的基本特點(diǎn)

2005年全國(guó)生產(chǎn)鋁廠147家產(chǎn)量780.萬(wàn)噸。其中：

160kA槽約2400臺(tái)產(chǎn)能約110萬(wàn)噸中鋁1194臺(tái)（青520+貴416+桂258）50萬(wàn)噸45％

200kA級(jí)（186～240kA）槽6700臺(tái)（在建1700）52家產(chǎn)能420萬(wàn)噸，產(chǎn)量350萬(wàn)噸中鋁4家800臺(tái)（青268+貴238+魯102+包192）52萬(wàn)噸