電解鋁知識講座一章基礎知識

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鋁的性質及用途1.鋁是地球上含量及其豐富的金屬元素，其蘊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，純鋁熔點為660℃，沸點2500℃,第2頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

鋁的性質和用途第3頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

鋁的外特性：（鋁有美麗的銀白色的光澤，工業(yè)被稱譽為“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、鋁是一種良好的導電材料，而且鋁的純度越高，導電性能越好，是銅導電率的62~65%，用鋁作導電材料既經濟又輕便。4、鋁具有良好的導熱和反光性能，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。第4頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋁的性質主要物理性質原子系數13原子量26.98154化合價3密度（克/厘米3）純度99.97%20℃固態(tài)—2.699（~2.7）

660℃液臺—2.3

1000℃液態(tài)—2.289

比熱焦/克.開固態(tài)0.8996熔點（℃）純度99.97%660沸點（℃）2500熔化熱（焦/克.開）397.06電子當量（克/安培.小時）0.3356第5頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋁的用途：

由于鋁及其合金具有以上如此多種性能，而且產量在不斷增長，所以在現代國民經濟和國防工業(yè)中得到了廣泛的應用，成為僅次于鋼、鐵的第二大金屬。它的用途主要有：可做輕型結構材料、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。第6頁,共51頁，2024年2月25日，星期天①包裝食品醫(yī)用飲料

1鋁的特性與用途一、鋁電解生產概論第7頁,共51頁，2024年2月25日，星期天②建筑：高層建筑、室內裝修和新型橋梁等

1鋁的特性與用途一、鋁電解生產概論第8頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

1鋁的特性與用途②建筑：一、鋁電解生產概論第9頁,共51頁，2024年2月25日，星期天③交通運輸汽車高速列車飛機輪船

1鋁的特性與用途一、鋁電解生產概論第10頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

1鋁的特性與用途③交通運輸一、鋁電解生產概論第11頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

1鋁的特性與用途③交通運輸一、鋁電解生產概論第12頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

1鋁的特性與用途③交通運輸一、鋁電解生產概論第13頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

1鋁的特性與用途③交通運輸一、鋁電解生產概論第14頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋁電解生產的基本原理第15頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

現代鋁工業(yè)生產，普遍采用冰晶石—氧化鋁熔鹽電解法，它的主要設備是鋁電解槽。其原理是以冰晶石—氧化鋁熔體為電解質，炭素材料為兩極，強大的直流電由陽極導入，經過電解質與鋁液層，而后從陰極導出到電源。溶解的氧化鋁

通入直流電（960℃）

液態(tài)鋁(陰極）+氣態(tài)物質（陽極）

第16頁,共51頁，2024年2月25日，星期天通入直流電的目的?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；另一方面是要實現電化學反應，也就是使電解質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，運往鑄造部經過凈化配料處理，澆注成商品鋁錠。第17頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋁液在電解槽的生產及吸出原理示意圖第18頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋁電解質及其性質第19頁,共51頁，2024年2月25日，星期天什么是現代鋁工業(yè)用鋁電解質？鋁電解生產中，連接陽極和陰極之間不可缺少的熔鹽叫電解質。第20頁,共51頁，2024年2月25日，星期天現代鋁工業(yè)用鋁電解質的組成

液體電解質主要以冰晶石為溶劑以氧化鋁為溶質而組成，其中冰晶石占百分之八十五，還有，氟化鈉，氟化鐵，氟化硅等。

第21頁,共51頁，2024年2月25日，星期天電解質的摩爾比（分子比）冰晶石中所含氟化鈉摩爾數與氟化鋁摩爾數之比為冰晶石的摩爾比,俗稱分子比。

摩爾比等于3質量比等于1.5的冰晶石形成的電解質稱為中性電解質；摩爾比大于3質量比大于1.5的冰晶石形成的電解質稱為堿性電解質，摩爾比小于3質量比小于1.5的冰晶石形成的電解質稱為酸性電解質，目前鋁工業(yè)上均采用酸性電解質生產。第22頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋁電解質的性質:1.初晶溫度;2.密度;3.粘度;4.導電度;5.表面性質;6.揮發(fā)性;第23頁,共51頁，2024年2月25日，星期天什么是鋁電解質的熔點(初晶溫度)?

在鋁電解生產中所用的純鹽類都有固定的熔點，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?

電解溫度=初晶溫度(熔點)+(15—-20)℃，即電解溫度一般要高出初晶溫度15—20℃。第24頁,共51頁，2024年2月25日，星期天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外，主要取決于電解質的熔點。欲想保持低溫電解生產，不設法降低電解質的熔點而單純降低電解過程溫度，必然會導致電解質過冷，引起病槽，影響生產。

第25頁,共51頁，2024年2月25日，星期天電解質的密度在電解槽正常生產過程中，上層是電解質，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）的比重（2.102克/立方厘米）。第26頁,共51頁，2024年2月25日，星期天什么叫電解質的粘度?

所謂粘度是液體中的質點之間相對運動的阻力，也稱內部摩擦，

電解質粘度主要取決于電解質的成份和溫度。

電解質粘度隨溫度升高而降低。

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

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

第27頁,共51頁，2024年2月25日，星期天在電解生產中，電解質的導電率（導電度）與哪些因素有關?

在電解生產中，電解質的導電率受到多方面的影響。

①與電解溫度有關。溫度越高，離子運動越快，導電率增加。但是電解溫度高，會造成電流效率降低，能耗和原材料增加，因而提高導電率的效益補償不了降低電流效率和其它的損失。

②與電解質分子比有關。導電率隨分子比的增加而增加。

③與Al2O3濃度有關。電解質的導電率隨Al2O3濃度的增加而降低。

第28頁,共51頁，2024年2月25日，星期天④與電解質中的炭粒有關。當電解溫度高時，會使電解質中炭粒含量增多，炭含量增多時不僅使電解質的導電率降低，還能減少電解質對Al2O3晶體的濕潤性，從而也會造成氧化鋁沉淀。

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

第29頁,共51頁，2024年2月25日，星期天表面性質

（1）表面張力；（2）濕潤性。

第30頁,共51頁，2024年2月25日，星期天(1)表面張力：表面張力：熔體（液體）的表面質點（分子、原子或離子）所受的力與熔體內部質點不同，熔體內部質點受其周圍質點的作用力（斥力或引力）是對稱，合力為零。生產中要求電解質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，要求電解質與鋁液之間應有較大的界面張力，這樣可以降低鋁在電解質中的溶解速度，增大鋁與電解質的分離速度。第31頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（2）濕潤性

濕潤性。是表示液相對固相的濕潤能力。液相對固相表面的濕潤程度取決于其表面張力的大小。實踐證明，電解質熔體隨Al2O3濃度樣增加，對碳素材料的濕潤性變好，在有鋁存在的情況下，電解質對碳素材料的濕潤性也有所改善，在生產中，要求電解質對陽極的濕潤性要適當好些，對陰極的濕潤性要差，電解質對陽極的濕潤好，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，太好會造成電解質中的碳渣分離困難，電解質對陰極濕潤性差，可以有效阻止電解質向陰極內襯中滲透，減輕爐底破損。第32頁,共51頁，2024年2月25日，星期天液體對固體的濕潤角液體NM固相液體NM固相θ>90°表示液體對固體的濕潤性不良，角越大，濕潤性越差。θ<90°則表示液體對固體的濕潤性好，角越小，濕潤性越好。濕潤性第33頁,共51頁，2024年2月25日，星期天影響電解質濕潤性的因素：1.電流密度和鋁的影響。2.氧化鋁濃度的影響。3.冰晶石物質數量的影響。4.碳素材質的影響。5.炭陽極中添加鋰鹽的影響。6.炭陰極上硼化鈦的影響。濕潤性第34頁,共51頁，2024年2月25日，星期天揮發(fā)性物質的揮發(fā)性，一般是指液體在低于沸點的狀態(tài)下，分子以氣態(tài)排出（蒸發(fā)）的程度。在生產當中，要求電解質的揮發(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人體減少危害，并減輕環(huán)境污染。第35頁,共51頁，2024年2月25日，星期天添加劑對電解質的影響:能滿足電解生產添加劑的條件為；1.在電解過程中不參與電化學反應，以免電解出其他元素而影響鋁的純度。2.能夠對電解質的性質有所改善。3.對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，價格要低廉等。第36頁,共51頁，2024年2月25日，星期天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；都具有降低電解質初晶溫度的優(yōu)點。缺點是降低氧化鋁在電解質中的溶解度，和溶解速度。第37頁,共51頁，2024年2月25日，星期天鋁電解過程中兩極副反應都是什么?

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，在兩極上還伴隨發(fā)生一些重要的過程和現象，因這些過程和現象對生產有害無益，所以稱為兩極副反應，

在陰極副反應中有金屬鈉的析出，陰極鋁的再溶損失，炭化鋁的生成；

在陽極副反應中有陽極效應、陽極氣體成分的變化第38頁,共51頁，2024年2月25日，星期天1.陰極副反應；1.鋁的溶解反應，金屬鋁殼部分溶解在冰晶石熔體中。2.金屬鈉的折出，在陰極的主反應是折出鋁而不是鈉，因為鈉的折出電位比鋁的低。3.碳化鋁的生產，在高溫條件下鋁可與碳發(fā)生反應生成碳化鋁。第39頁,共51頁，2024年2月25日，星期天陽極效應；陽極效應是熔鹽電解時發(fā)生在陽極上的一種特殊現象。鋁電解過程中，當期電流密度達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，陽極附近出現電弧光和噼啪聲，這一現象稱為陽極效應。第40頁,共51頁，2024年2月25日，星期天陽極效應發(fā)生的機理學有哪些?1.濕潤性理論。2.氟離子放電理論。3.靜電引力理論。4.綜合理論。第41頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

該理論認為發(fā)生陽極效應是由于電解液對陽極的濕潤性改變所致。當電解液內氧化鋁濃度高時，電解液對陽極的濕潤性很好，陽極過程中產生的氣泡很容易從陽極上排擠掉；當氧化鋁濃度降低時，電解液對陽極的濕潤性變壞，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氣膜層，從而發(fā)生陽極效應。在發(fā)生陽極效應時，向電解質中添加氧化鋁，電解液對陽極的濕潤性重新變好，于是陽極氣膜遭到破壞，效應熄滅，恢復正常電解過程。

陽極效應機理－濕潤性理論第42頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第43頁,共51頁，2024年2月25日，星期天陽極效應發(fā)生的機理學--氟離子放電理論

這種理論則認為陽極效應是由于陽極過程發(fā)生了改變，即氟離子放電所為。該理論的依據是，陽極效應發(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，還含有四氟化碳氣體。在臨近陽極效應時，陽極氣體中含有少量四氟化碳（0.4～2%），而效應發(fā)生時，四氟化碳氣體含量上升到15～35%。

第44頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

理論認為，在氧化鋁濃度高時，電解質中鋁—氧—氟離子中氧離子的比例較大，此時陽極上理應氧離子放電，但在氧化鋁濃度很低時（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，當這兩種離子一起在陽極上放電時，陽極過程更加遲滯，陽極從活化狀態(tài)轉向鈍化狀態(tài)，陽極氣體開始大量積聚在陽極上，將電解質與陽極隔開，于是效應發(fā)生。

第45頁,共51頁，2024年2月25日，星期天陽極效應發(fā)生的機理學--靜電引力理論

該理論認為發(fā)生陽極效應是由于陽極—氣體之間的靜電引力所引起。在含氧化合物的電解質是氣泡帶正電荷，所以氣泡能從陽極上排出，當電解質里氧化物缺乏時，氣泡就帶負電荷，于是被陽極吸引住，引起效應發(fā)生。第46頁,共51頁，2024年2月25日，星期天陽極效應發(fā)生的機理學--綜合理論這種理論是一、二種理論的綜合，即認為發(fā)生陽極效應一方面是由于電解質對陽極的濕潤性變化，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，從而使電解質對陽極的濕潤性驟然惡化，于是發(fā)生了陽極效應。第47頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

綜上所述，發(fā)生陽極效應的共同特點是，電解質中氧化鋁濃度降低，在工業(yè)鋁電解槽上，當在正常狀態(tài)并在適當低的溫度下電解時，陽極效應趨向于較低的氧化鋁濃度（0.5～1.0%）發(fā)生；當電解質溫度過低時，效應可在2%左右濃度下發(fā)生，若電解質過熱時，不發(fā)生陽極效應。