铝电解PDF电子书下载

1.1　铝在地壳中的存在 1

1.2　铝冶炼工艺发展过程 1

第1章　铝冶炼史 1

1.3　Hall-Héroult铝电解槽结构的发展 3

第2章 电解质熔体结构 8

2.1　冰晶石熔体的成分 8

2.2　冰晶石熔体的离子结构 8

2.3　冰晶石熔体的分解反应 9

2.4 CaF2在Na3AlF6熔体中的离解反应和离子结构 14

2.5 LiF在Na3AlF6熔体中的离解反应和离子结构 15

2.6.1　氧化铝的溶解热 16

2.6 氧化铝与部分添加剂在冰晶石熔体中溶解的热力学及离子结构 16

2.6.2 CaF2添加剂对α-Al2O3溶解热的影响 17

2.6.3　LiF添加剂对α-Al2O3溶解热的影响 17

2.6.4　添加AlF3对α-Al2O3溶解热焓的影响 18

2.6.5　有铝存在时α-Al2O3的溶解热焓 18

2.6.6 γ-Al2O3转变成α-Al2O3的相变热 18

2.6.7　氧化铝在冰晶石熔体中的离子结构 19

参考文献 20

3.1.4　氧化铝（Al2O3） 21

3.1.2　氟化铝（AlF3） 21

3.1.3　氟化钙（CaF2） 21

3.1.1　冰晶石（Na3AlF6） 21

3.1 电解质中各组分的固相结构 21

第3章 电解质的物理化学性质 21

3.2　相图与电解质的初晶温度 22

3.2.1 NaF-AlF3二元系 22

3.2.2 Na3AlF6-Al2O3二元系 23

3.2.3 Na3AlF6-AlF3-Al2O3三元系 24

3.2.4 Na3AlF6-AlF3-CaF2三元系 26

3.2.5 Na3AlF6-CaF2-AlF3-Al2O3四元系 26

3.2.6 Na3AlF6-AlF3-CaF2-Al2O3-LiF-MgF2六元系 27

3.3 其他各种添加剂对冰晶石电解质初晶温度的影响 27

3.6　电解质初晶温度的测量方法与偏差 28

3.5 铝的存在对电解质初晶温度的影响 28

3.4 各种氧化物杂质对电解质初晶温度的影响 28

3.7　电解质的酸碱度 29

3.8　电导 32

3.8.1 NaF-AlF3二元系熔体的电导 32

3.8.2　各种添加剂对冰晶石电解质熔体电导率的影响 33

3.9　电解质熔体的密度 35

3.9.1 NaF-AlF3二元系熔体密度 35

3.9.2　各种添加剂对冰晶石熔体密度的影响 36

3.9.3　氧化铝浓度和温度对冰晶石电解质熔体密度的影响 37

3.10　黏度 37

3.10.1　电解质熔体的黏度 37

3.11　表面性质 38

3.10.2　铝液的黏度 38

3.11.1　电解质熔体对炭的湿润性 39

3.11.2　熔融铝与熔融电解质之间的界面张力 43

参考文献 44

第4章　铝电解槽中的电极过程与电极反应 46

4.1　阴极过程与阴极反应 46

4.1.1　铝电解槽阴极上的一次电解产物 46

4.1.2　阴极电解反应 47

4.1.3　阴极过电压 48

4.1.4　阴极过电压的机理 49

4.1.5　阴极表面层电解质的成分 50

4.1.7　阴极表面导电离子的传质 51

4.1.6　阴极表面的电场强度 51

4.2　阳极过程及阳极反应 53

4.2.1 阳极反应 53

4.2.2　阳极一次气体产物 53

4.2.3　阳极过电压 54

4.2.4　阳极过电压的机理 55

参考文献 56

第5章　槽电压 57

5.1　槽电压的组成和性质 57

5.2 电解质中Al2O3的理论分解电压 57

5.4.2　工业电解槽电解质电阻RB的计算 58

5.4.1 阳极侧部的扇形形状及扇形电流分布 58

5.4　电解质的电压降 58

5.3 阳极反应过电压、阳极浓度扩散过电压和阴极过电压 58

5.5　阴极电压降 60

5.5.1 由阴极炭块本身的电阻引起的电压降 60

5.5.2　阴极钢棒的电压降 61

5.5.3　阴极炭块与阴极钢棒之间的接触电压降 61

5.6　阳极电压降 62

5.7　电解槽热平衡体系之外的母线电压降 63

5.8　槽电压计算举例 63

5.9　铝电解槽槽电压、阳极过电压、阴极过电压与氧化铝浓度的关系 66

5.10.1 利用参比电极测量和记录铝电解槽的阳极过电压和阴极过电压 68

5.10　过电压的实验室测定 68

5.10.2　利用反电动势的测量数据测量与计算电解槽的阳极过电压 71

5.11　工业电解槽过电压的测定 72

5.1 2 实验室利用全波脉动直流电压电解进行电解槽反电动势的测定 74

参考文献 75

第6章　阳极效应 76

6.1 阳极效应的特征和现象 76

6.2　阳极效应对电解槽的影响 77

6.2.1 阳极效应的正面影响 77

6.2.2　阳极效应的负面影响 77

6.4　临界电流密度 78

6.3　阳极效应的机理 78

6.5　各种因素对临界电流密度的影响 80

6.5.1 临界电流密度与氧化铝浓度的关系 80

6.5.2　温度对临界电流密度的影响 81

6.5.3　电极材料对临界电流密度的影响 81

6.5.4　分子比大小和添加剂对临界电流密度的影响 82

6.6　工业铝电解槽的效应电压 82

6.7　阳极效应的熄灭 83

6.8　阳极效应对环境的影响 83

参考文献 86

7.1　冰晶石氧化铝熔盐电解的能量消耗 87

第7章　冰晶石-氧化铝熔盐电解电化学反应的热力学 87

7.2　氧化铝的可逆分解电压Erev 88

7.3　氧化铝的活度 89

7.4　铝电解实际能量需求 90

7.5　铝电解的当量电压E△H0 92

7.6　铝电解槽电压及其电能分配 92

7.7　铝电解槽的热损失和能量平衡 93

7.8　铝电解槽的能量利用率 94

参考文献 95

第8章　铝电解的电流效率 96

8.1　熔盐电解中的法拉第定律 96

8.2　铝的电化学当量 96

8.3　铝电解槽电流效率的定义 97

8.4　铝电解槽电流效率降低的原因 98

8.4.1 电解槽漏电或局部极间短路造成电流损失 98

8.4.2　铝的不完全放电引起电流空耗 98

8.4.3　其他离子放电所引起的电流效率损失 99

8.4.4　电子导电 100

8.4.5　阴极上生成金属钠 101

8.4.6　阴极铝的溶解损失 102

8.4.7　关于阴极铝的电化学溶解问题 102

8.4.8　阴极铝溶解损失的本质 103

8.4.9　铝在电解质中的溶解度与铝损失 105

8.4.10　铝溶解度的测定方法 105

8.5　铝溶解损失的机理 107

8.6　铝二次反应的机理 109

8.7　电流效率的数学模型 111

8.8　工艺参数和操作对电流效率的影响 113

8.8.1　温度对电流效率的影响 113

8.8.2 电解质分子比对电流效率的影响 114

8.8.3　氧化铝浓度对电流效率的影响 115

8.8.4　各种添加剂对电流效率的影响 116

8.8.5　极距对电流效率的影响 119

8.8.6　电流密度对电流效率的影响 120

8.8.7　非阳极投影面积之外的阴极铝液面积大小对电流效率的影响 121

8.8.9　阳极换块对电流效率的影响 122

8.8.8　阳极电流分布对电流效率的影响 122

8.8.10　槽膛形状与电流效率 124

8.8.11　铝水平和电解质水平对电流效率的影响 125

8.8.12　电解质过热度对电流效率的影响 125

8.8.13　电解质黏度与电流效率 126

8.8.14　界面张力与电流效率 127

8.8.15 电解槽的稳定性与电流效率 128

8.9　工业铝电解槽上阴极铝的溶解损失 129

8.10　铝电解槽的极限电流效率 129

8.11　工业铝电解槽电流效率的测量与计算 130

8.11.1　工业电解槽电流效率的测定 130

8.11.2　实验室电解槽电流效率的测定 137

8.11.3　工业电解槽瞬时电流效率的测定 138

8.11.4 CO2气体分析法测定电流效率的局限性 139

参考文献 139

第9章　预焙阳极 141

9.1　引言 141

9.2　预焙阳极的制造流程 141

9.3　预焙阳极制造所用原料 143

9.3.1　石油焦 143

9.3.2　煤沥青 149

9.3.3　阳极残极 154

9.4.1　配料 155

9.4　成型 155

9.4.2　沥青需求量 156

9.4.3 Blaine数配料应用实例 158

9.4.4　干料的预热、糊料的混捏和冷却 158

9.4.5　阳极成型 160

9.4.6　成型阳极的冷却 161

9.4.7　阳极焙烧 162

9.4.8　焙烧对阳极质量的影响 164

9.4.9　环式炉焙烧技术的改进 166

9.5　预焙阳极在电解槽上的行为 172

9.5.1　热震（热冲击） 172

9.5.2　阳极消耗 174

9.5.3　铝电解生产对阳极的质量要求 180

参考文献 182

第10章　铝电解槽的阴极 183

10.1　电解槽的阴极结构 183

10.2　制造电解槽炭阴极内衬的材料 183

10.2.1　无烟煤 184

10.2.2　冶金焦 186

10.2.3　人造石墨 186

10.2.4　石油焦 186

10.3　氮化硅结合的碳化硅绝缘内衬 186

10.4.1　阴极炭块的分类及使用性能 187

10.4　阴极炭块 187

10.4.2　几种阴极炭块的性能比较 188

10.4.3　具有开发和应用前景的两种新型阴极底块 189

10.5　捣固糊 190

10.5.1　捣固糊的分类及质量指标 190

10.5.2　捣固糊在焙烧过程中的膨胀与收缩 192

10.5.3　捣固糊收缩率的测定 193

10.5.4　降低收缩率的方法 193

10.6　糊的捣固性能 193

10.6.1　糊的捣固性能及其试验 193

10.6.2　施工中捣固糊密度的测定 195

10.7 电解过程中钠和电解质熔体在阴极炭块中的渗透 196

10.7.1　试验研究方法 196

10.7.2　钠在电解质熔体中的渗透速度 197

10.7.3 由化学反应所引起的钠的渗透 198

10.7.4　由电化学反应所引起的钠的渗透 199

10.7.5　钠嵌入化合物在阴极中的存在 200

10.7.6　钠的渗透机理 201

10.7.7　电解质熔体在阴极炭块中的渗透 203

10.8　碳化铝在阴极炭块中的生成机理 205

10.9　铝电解过程中阴极上出现的Rapoport效应 207

10.10.1　底块和侧块的标准检测 209

10.10　铝电解生产对阴极炭块的质量要求 209

10.10.2　用户（电解工厂）对电解槽底块和侧块的检测 210

10.10.3　底块和侧块的非标准检测 210

10.10.4　捣固糊质量 210

10.11　提高铝电解槽的阴极寿命 210

10.11.1　合理的电解槽设计 211

10.11.2　合理的电解温度 216

10.12　阴极内衬中的耐火材料和保温材料 217

参考文献 219

11.2.1　铝液焙烧 221

11.2　焙烧方法的选择 221

11.1　焙烧的目的 221

第11章 电解槽的焙烧、启动与技术管理 221

11.2.2　外电阻加热焙烧与铝液焙烧相结合的焙烧技术 222

11.2.3　炭粒焙烧 222

11.2.4　铝锭、铝块和铝屑焙烧 225

11.2.5　火焰焙烧 225

11.2.6　焙烧方法的选择 226

11.3　铝电解槽焙烧质量的评价 227

11.3.1　升温速度 227

11.3.2　最终焙烧温度 227

11.4.1　炭粒粒度的选择 228

11.4　铝电解槽的炭粒焙烧 228

11.3.6　阴极电流分布 228

11.3.5　阳极电流分布 228

11.3.4　焙烧过程中阴极表面的温度分布 228

11.3.3　阴极底块中的温度梯度 228

11.4.2　炭粒床厚度和炭粒种类的选择 229

11.4.3　升温速度的控制 229

11.4.4　焙烧过程中电流分布的调节 230

11.5　电解槽的干法启动 231

11.6　电解槽的常规启动 232

11.7　过渡期电解槽的工艺特点与操作要点 234

11.8　铝电解转入正常生产以后的工艺操作与技术管理 236

11.8.1　温度 236

11.8.2　电解质的组成 238

11.8.3　铝水平 242

11.8.4　法国AP电解槽设计参数、工艺技术参数和主要技术经济指标 245

参考文献 245

第12章　铝电解槽电流的强化 246

12.1　电流强化的可能性 246

12.2　我国自焙槽强化电流的历史回顾 247

12.3　铝电解槽电流强化的几个技术问题 248

12.3.1 电流强化后的电流效率问题 249

12.3.2 阳极和阴极电压降问题 249

12.3.3　电解质电压降问题 250

12.3.4　电流强化后的热平衡问题 250

12.3.5　进一步提高阳极质量的问题 252

参考文献 253

第13章　TiB2/C阴极电解槽 254

13.1 TiB2的性质及其在铝电解槽阴极上的应用 254

13.2 TiB2的制备 254

13.2.1　元素合成法制取高纯度的TiB2 254

13.2.2　熔盐电解法制取TiB2 254

13.2.3　金属热还原法制取TiB2 255

13.2.4　碳热还原法制取TiB2 255

13.3 TiB2/C复合材料在铝电解槽阴极上的应用 256

13.4 TiB2/C阴极在电解过程中的钠膨胀和电解质熔体的渗透 260

13.5 2000A泄流式TiB2/C复合材料阴极试验电解槽 261

参考文献 264

第14章　氧化铝及其在电解槽中的行为 265

14.1　氧化铝的生产——粉状氧化铝和沙状氧化铝 265

14.2　铝电解对氧化铝性质的要求 265

14.3　氧化铝的性质 266

14.4　电解槽上部结壳的性质 269

14.5　泥状沉降物的性质 270

14.6　氧化铝的溶解及其机理——律速步骤 271

参考文献 276

第15章　铝电解生产过程的控制 277

15.1　铝电解过程的诊断与控制 277

15.2.1　槽电压的控制 278

15.2　铝电解正常生产过程的控制 278

15.2.2　槽电压不稳定（摆动）情况的处理 279

15.2.3　氧化铝浓度控制 279

15.2.4　氧化铝下料过程控制对极距的影响 282

15.3　熄灭阳极效应 283

15.4　添加氟化铝 284

15.5　槽电压噪声的控制 285

15.6　电解槽初晶温度和过热度的控制 286

参考文献 287

16.1　传热问题概述 288

16.1.1　传热的3种形式 288

第16章　铝电解槽的温度场 288

16.1.2　传热问题的边界条件及求解方法 289

16.2　铝电解槽传热过程的物理模型 289

16.3　铝电解槽传热过程二维稳态数学模型 290

16.3.1　电解槽数学模型求解区域的单元划分 290

16.3.2　热交换过程的控制方程及其离散 291

16.3.3　铝电解槽数学模型的边界条件 296

16.4　计算实例 297

16.4.1　计算所需数据的选取 297

16.4.2　计算结果 299

16.5　铝电解槽内结壳与介质换热系数的计算 300

16.5.1　铝电解槽电解质熔体和铝液与槽帮结壳之间传热的基本原理 300

16.5.2　炉帮与电解质熔体和铝液熔体之间的换热系数 303

16.5.3　热流管法计算槽帮与电解质熔体之间的换热系数 304

16.5.4　计算实例 305

16.6　铝电解过程中槽膛形状的变化 308

16.6.1　铝电解过程中铝液水平的变化对槽膛形状的影响 308

16.6.2　选用不同的内衬炭材料对槽膛形状的影响 312

16.7　铝电解槽电压、电流变化对电解槽热平衡的影响 316

16.7.1　计算原理和计算方法 316

16.7.2　计算实例 318

参考文献 321

17.1.2　电磁场的计算方法概述 322

17.1.1　铝电解槽磁场计算及研究的意义 322

17.1　绪论 322

第17章　电解槽磁场 322

17.1.3　国内外有关铝电解槽磁场计算研究的现状 323

17.2　铝电解槽内外传导电流产生磁场的计算 329

17.2.1 基本概念 330

17.2.2　母线电流产生磁场的计算 331

17.2.3 阴极炭块、阳极炭块以及铝液和电解质熔体中电流所产生磁场的计算 333

17.3　表面磁荷法计算磁场的原理和步骤 336

17.3.1　表面磁荷法计算磁场的原理 336

17.3.2　应用表面磁荷法计算磁场的公式推导 339

17.3.3　非线性方程组的求解 341

17.3.4　应用表面磁荷法计算磁场的步骤 341

17.4.1　磁场的测量 343

17.3.5　应用表面磁荷法计算磁场的程序框图 343

17.4　铝电解槽磁场的测量与计算程序的验证 343

17.4.2　磁场的计算 346

17.4.3　测量结果与计算结果的比较与讨论 347

17.4.4　误差分析 348

17.5　铝电解槽磁场的测量与计算程序的验证 349

17.5.1　160kA大型预焙阳极铝电解槽磁场的计算 349

17.5.2　186kA大型预焙阳极铝电解槽磁场的计算 355

17.5.3 230kA大型预焙阳极铝电解槽磁场的计算 357

17.6　铝电解槽母线的设计 359

参考文献 362

18.1.1　槽内铝液流场计算及研究的意义 364

18.1.2　流体力学研究方法概述 364

第18章 电解槽内磁场引起铝液的流动 364

18.1　绪论 364

18.1.3　紊流问题的数值计算方法概述 365

18.1.4　国内外有关铝电解槽流场研究的现状 370

18.2　铝电解槽流场控制方程的建立及离散 373

18.2.1　基本概念 373

18.2.2　铝电解槽流场的数学描述 374

18.2.3　求解区域的离散化 377

18.2.4　通用控制微分方程 378

18.2.5　离散方程的建立 379

18.2.6　离散方程的求解方法 381

18.3.1　铝电解槽流场计算的边界条件 383

18.3.2　铝电解槽流场的计算 383

18.3　铝电解槽流场的计算 383

18.4　铝液流速的测定 386

18.4.1　铁棒溶解法测定铝液流速 386

18.4.2　用Alcoa便携式叶片流量计测铝液流速 387

参考文献 387

第19章　铝电解生产中的氟化盐消耗与烟气治理 389

19.1　铝电解生产过程中的氟化盐消耗 389

19.1.1　铝电解质蒸发 389

19.1.2 电解质的水解所引起的电解质消耗 390

19.1.4 电解过程中阴极内衬吸收电解质 392

19.1.3　原料中的杂质与电解质的反应引起电解质的消耗 392

19.1.5　电解槽开动时的氟化盐消耗 393

19.1.6 阳极效应期间所引起的电解质消耗 393

19.1.7　氟的平衡 395

19.2　电解槽烟气的干法净化 395

19.2.1　电解槽烟气的组成 395

19.2.2　电解槽F排放量的环保标准 395

19.2.3　干法净化的理论基础 396

19.2.4　干法净化的工艺过程及设备原理 398

19.3 SO2的净化技术 400

参考文献 401