大学精品课件：铝冶金4.ppt

1、1.5 炼铝用炭素阳极在铝电解生产中,采用高温、具有很大侵蚀性的冰晶石熔液。在各种材料中，能够耐高温并抵御这种侵蚀性、价格低廉且导电良好的惟有炭素制品。对炭阳极的特性要求要求灰分低：小于0.5%,如石油焦或沥青焦;含杂质尽量低:Fe Si Ni V 钒对于碳在空气中的氧化反应起催化作用,它还能使电流效率降低,钒会进入铝中使铝的电导率降低.规定:钒的质量分数不应超过0.02%.预焙阳极的比电阻小(小于50mm2m-1),能够减少电能消耗.预焙槽阳极电压降只有预焙槽阳极电压降只有0.30.3V V，而自焙槽而自焙槽阳极电压降为阳极电压降为0.40.4-0.5V-0.5V，电耗比预焙槽高电耗比预焙槽

2、高10001000kWkWh/Alh/Al气孔率:开口气孔率和闭口气孔率.开口气孔:指与阳极表面连通的那些气孔 闭口气孔:指不与阳极表面连通的那些气孔 其中开口气孔率不仅与阳极的力学强度和导电率相关,还与其化学的和电化学的特性相关,优质预焙阳极的开口气孔率在7%以下.计算公式:P=(真 -假)/真 100%式中,P 气孔率,%;真 真密度,gcm-3;假 体积密度,gcm-3.预焙阳极的真密度一般为2.05 gcm-3,故气孔率为:P=(2.05 1.58)/2.05 100%=23%炭阳极的生产流程炭阳极的生产流程包括原料准备、混捏、成型、焙烧、阳极组装等步骤。铝用阳极分两种：预焙阳极和自焙

3、阳极。两种阳极的区别：原料焦炭与黏结剂沥青的配比不同，焦炭的粒度分配不同，应用形式不同。自焙阳极是在流程中产生的阳极糊直接加入自焙阳极内，利用电解槽内热量就地焙烧，形成固态阳极。预焙阳极电解槽的阳极糊，需要经过成型和焙烧等工序制成预焙阳极，然后装在电解槽上应用。原料通常是石油焦和沥青焦，它们都是低灰分的优质炭素材料。石油焦：是石油蒸馏过程中的副产品。沥青焦:是炼焦副产品煤沥青在高温下的焦化产物,它同石油焦相比,力学强度好,灰分低,硫量少.故与石油焦混合使用.沥青的作用在于黏结固体焦炭粒子,组成具有一定塑性的阳极糊,并且在后来的焦化过程中把焦炭粒子焦结起来,获得适当好的力学强度.沥青依其软化点的

4、不同而分为3种:软沥青 软化点48-51;中硬沥青 软化点60-75;硬沥青 软化点100以上.铝工业制造阳极时对沥青的要求是:既要使单位体积内生成的焦炭量多而焦层厚,又要使电极的比电阻小而致密.优质的硬沥青可以基本上满足这些要求.焦炭在送去配料之前都要煅烧,煅烧温度一般要达到1300.煅烧的目的是:去掉水分,排除挥发物,增大焦炭粒子的密度和强度,提高焦炭粒子的导电性,以适应制造电极之需.一般煅后焦的质量如下:真密度2.05gcm-3;挥发分小于0.05%;比电阻600mm2m-1;水分小于0.5%;灰分小于0.05%;硫分小于2.5%.炭素电极生产配料:选定原料焦炭粒子和黏结剂;决定焦炭离子

5、的粒度组成;决定黏结剂对焦炭粒子的配合量.预焙阳极选用煅后石油焦或煅后石油焦和沥青焦的混合物,其中一部分从电解槽取出的阳极残极.在一般的配料中,固体粗粒料20%,中粒料40%,细粒料40%.就糊整体而言,固体料约占83%,黏结剂沥青17%(振动成型).阳极糊的混捏:各种粒级的焦炭粒子进行机械混合;黏结剂沥青与骨料焦炭粒子密切混合.成型:振动成型与挤压成型.生电极焙烧:通常在环式焙烧窑内在隔绝空气的条件下按照一定的升温速度进行间接加热.其过程也就是黏结剂沥青的分解、排出挥发分和焦化的过程。挥发物排出阶段（至600）：4.5/h;焦化阶段(600-800):5.2/h;高温烧结阶段(800-116

6、0):10-15/h,15-20h;冷却阶段(1160-250):3/h.整个周期23天。阳极组装：在炭块上挖出孔洞，将钢质导电棒插入，浇铸磷生铁。在铝电解槽上60cm高的阳极炭块组的使用时间约为28天。在电解过程中，阳极大约以在电解过程中，阳极大约以0.80.8-1.0 mm/h-1.0 mm/h速度连续速度连续消耗，在电解过程中，阳极大约以消耗，在电解过程中，阳极大约以0.80.8-1.0 mm/h-1.0 mm/h速度连续消耗。速度连续消耗。铝用炭阴极 铝用炭阴极原则上是不消耗的，所以它是用无烟煤做原料，尽管其灰分的质量分数达10%以上，但并不影响铝的质量，因为在炭阴极上面经常覆盖着一层

7、电解出来的铝液作为保护层。炭阴极的制造流程基本上同炭阳极一样。正常生产期通常延续正常生产期通常延续5 5-7-7年。年。1.6 铝生产中的环保治理铝生产过程中的污染物气态物质:HF、SO2、CF4 电解质蒸气、沥青烟等,是在铝电解过程中和电极生产过程中产生的.固态粉尘:铝矿粉碎时产生的粉尘,如氧化铝粉尘,冰晶石和氟化铝粉尘等,是在氧化铝生产过程中和铝电解过程中产生的.固态废弃物:氧化铝生产过程中排放的赤泥,铝电解生产过程中排放的废旧炭阴极和炭渣等.烟气干法净化技术干法净化就是直接利用电解铝的原料做吸附剂,吸附铝电解烟气中的氟化氢等有害成分所进行的过程.具有吸附作用的物质氧化铝为吸附剂,被吸附的

8、物质氟化氢为吸附质.氟化氢和氧化铝间的反应 砂状氧化铝中-Al2O3比表面积大,反应活性强,流动性好,进入槽内易溶解.氟化氢无色无味,负电性很大,氢和氟的原子间键是极性共价键,氢和氟间的成键电子强烈偏向氟的一边,可以形成氢键,使氟化氢有自身缔合现象,化学活性强,具有同自身以及许多其它化合物结合的特性.Al2O3+6HF=2AlF3+3H2O(300,0.25-1.5s,99%)烟气干法净化工艺流程1.7 废铝与废旧阴极炭块的再生利用废铝再生利用“绿色金属”可回收循环利用国内外废铝回收工业 美国:占原铝84%,318万吨,1995年 日本:150万吨,回收率82%德国:55万吨,与原铝持平 中国

9、:初始阶段 废铝再生方法预处理、熔炼和合金调配废旧阴极炭块的综合利用中国年产400万吨铝，每年排放废旧阴极炭块80000吨，其中含有70%的碳和30%的固体电解质，价值2亿元。作为水泥制造中的补充燃料作为化铁炉的萤石代用品从废旧内衬材料中回收氟盐火法回收技术湿法处理技术碳渣浮选分离技术赤泥处理技术1.8 炼铝新方法炼铝用惰性材料惰性阴极在高温下具有良好的热稳定性和力学强度;能抵御铝液和电解液的腐蚀作用;对铝液有良好的湿润性;能够和基体材料良好地结合,从而阻止电解液渗透;在高温下有良好的导电性.常用：硼化钛TiB2 TiC NbB2 ZrB2 等,成型方法：热压法,等离子喷涂法,TiB2炭糊涂覆

10、振动成型法惰性阳极氧化物双极性电极 绝缘侧壁材料电阻率高;导热性好;不与熔融的冰晶石起化学反应;不与铝和钠起化学反应;孔隙度小,不渗透电解液和铝,不被空气氧化.氮化硅结合碳化硅低温电解技术悬浮氧化铝电解 氯化铝电解轻电解质电解AlCl3熔点：194.2度（压力下）沸点：182.7度重电解质电解1.9 电热还原法熔炼铝硅铁钛合金1.10 熔盐电解法制取铝基母合金往电解液中加入另外一种金属(Me)化合物(一般是氧化物),它的分解电压低于氧化铝,则有可能生成铝基母合金(Al-Me),母合金中Me元素的质量分数视条件而异,可达到520%,而此种铝基母合金可用来配制多种具有特殊性能的工业用合金.现在已经

11、研制出多种铝基母合金,形成一门新的边缘学科.下面是用融盐电解法制取的铝基母合金的品种.Al-Si Al-Zr Al-Ti Al-Mn Al-B Al-Cr Al-Ti-B Al-RE Al-Ca Al-Mg Al-Sr Al-Cu Al-Si-Ti-RE 铝电解槽中制取铝基母合金的生成机制在于以下两种还原作用:金属化合物(一般是氧化物)被铝还原成金属(Me),构成铝基母合金;在电解过程中,金属(Me)与铝一起在阴极上析出,构成铝基母合金.铝电解槽中制取铝基母合金的优点:铝基母合金可在一般的工业铝电解槽内生产出来,产量比较高;生产出来的铝基母合金质量均匀;与对掺法相比,合金元素的利用率高,无机械

12、损失;整体的能量消耗少;生产成本低.热力学原理用铝热还原法和电解法制取铝基母合金的可行性是根据热力学计算结果、结合Al-Me相图以及相关体系的电化学反应机理而确定的。3MeO+2Al=Al2O3+3Me 如图，可以预测制取各种铝基母合金的可能性。铝基母合金中合金元素的质量分数（1233K）体系 合金元素熔点/K 质量分数/%Al-Si 1685 Si40 Al-Ce 1071 Ce20 Al-Mn 1517 Mn30 Al-Ti 1943 Ti2 Al-B 4073 B0.3 Al-Zr 2130 Zr2课后作业题课后作业题:1 1 现代铝工业有的主要生产环节现代铝工业有的主要生产环节?辅助环

13、节辅助环节?2 2 画出现代铝工业生产流程简图画出现代铝工业生产流程简图.3 3 制取氧化铝的主要矿物制取氧化铝的主要矿物?铝土矿的主要类型铝土矿的主要类型?4 4 中国铝土矿的特点如何中国铝土矿的特点如何?5 5 画出从铝土矿提取铝的简要生产流程图画出从铝土矿提取铝的简要生产流程图.6 6 从铝土矿中提取氧化铝的主要方法从铝土矿中提取氧化铝的主要方法?7 7 拜耳法的原理及主要步骤拜耳法的原理及主要步骤?8 8 苛性比、铝土矿中氧化铝的理论溶出率的概念苛性比、铝土矿中氧化铝的理论溶出率的概念.9 9 拜耳拜耳-烧结联合法的形式？烧结联合法的形式？10 10 阳极效应的概念及相关现象。阳极效应的概念及相关现象。11 11 铝电解的主要反应及电流效率的概念和相关计算。铝电解的主要反应及电流效率的概念和相关计算。12 12 铝电解的电解质主要类型有哪些。铝电解的电解质主要类型有哪些。13 13 何谓三层液电解？何谓三层液电解？