第一章铝电解的基本理论1.1铝的性质及用途铝是地球上含量极丰富的金属元素，其蕴藏量在金属中居第二位。

在地壳中含量低于氧和硅而位居第三位。

由于铝的化学性质很活泼，因而在自然界里没有单质的金属铝存在，而是以含铝的各种化合物状态存在。

铝的化合物在自然界中分布极广，含铝的矿物有250种，但在工业上有开采价值的铝矿，只有为数不多的几种。

铝是一种银白色的金属，具有一系列良好的性能。

纯铝焙点为660冗，沸点为2 500冗。

铝是一种很轻的金属。

在常温下密度为2.7 即铝的质量为同体积水重的2.7倍，但约为钢、铜的质量的三分之一。

在铝中加人少量的铜、镁、锰、铬、硅做成的合金，具有质轻强度大，可机加工性、物理和力学性能好，抗氧化能力强等一系列优良性能，从而使铝及铝合金在很多应用领域中被认为最为经济实用的结构材料之一。

铝有较好的抗腐蚀能力。

暴露在空气中的铝块，很快氧化为一层致密的氧化铝薄膜，可防止铝进一步氧化。

因而在大多数环境条件下，包括在空气、水〈或盐水〕、石油化学和很多化学体系中，铝能显示优良的抗腐蚀性能。

铝的导电性良好，只比金、银、铜差一点。

铝的导电性随其纯度而有所不同，约为铜的导电率的619^，但制造同样导电率的电线所使用的铝的质量只有铜的一半。

因此铝广泛地用于电气、电子工业，如用来制造母线、电线、电动机、电容器等。

铝的导热性能也很好，导热率为银的一半，比铁的大三倍。

铝合金的导热率是铜的509〜609，所以工业上许多散热器、加热电器、热交换器等都是铝制成的。

铝的可塑性好，可以加工成各种型材，虽然纯铝极软且富延展性，但仍可靠冷加工及做成合金来使它硬化，用合金铝可以铸成形状复杂的零件，例如发动机的气缸体及外壳，精密仪表上的零件等。

铝是非铁磁性的，这对电气工业和电子工业而言是一重要特性。

铝是不能自燃的，这对涉及装卸或接触易燃易爆材料的应用来说是重要的。

铝无毒性，通常用于制造盛装食品和饮料的容器。

它的自然表面状态具有宜人的外观，它柔软、有光泽，而且为了美观，还可着色或染上纹理图案。

铝的表面具有高度的反射性。

辐射能、可见光、辐射热和电波都能有效地被铝反射，而阳极氧化和深色阳极氧化的表面可以是反射性的，也可以是吸收性的，抛光后的铝在很宽波长范围内具有优良的反射性，因而具有各种装饰用途及具有反射功能性的用途。

铝在工业中用途很广，从19世纪末开始，铝成为在工程应用中具有竞争力的金属，且风行一时。

航空、建筑、汽车三大重要工业的发展，要求材料特性具有铝及其合金的独特性质，这就大大有利于这种新金属。

自氧化铝-冰晶石熔盐电解诞生开始，世界上首批以内燃机为动力设备的车辆问世，随之而来的便是作为汽车业需用的、具有越来越大的工程价值的材料一一铝及其合金对汽车工业的发展开始起重要的作用。

电气化也要求将大量质轻的导电金属铝用于长距离输送电，用于建造支撑架空电缆网络所需要的塔架，以便于发电厂传输电能。

铝工业的发展还不只限于上述内容。

铝在商业上应用于诸如镜框、门牌和餐用托盘之类的新颖物品。

铝制的炊事用具也成为市场上的一类商品。

现在，铝已发展成具有各种各样用途的材料，其范围之广足以使现代生活的各个侧面直接地受到铝的应用的影响。

铝最大的用途是在运输和建筑业。

铝广泛地用在各种交通工具的制造上，在建筑业上，由于铝在空气中的稳定性和阳极处理后的极佳外观而受到很大的应用，高强度钢线补强的铝缆，厨房用具则是铝最早的用途，在今日仍为一个极为广大的市场。

基于其化学抗药性，铝特别适合用在化学药品制造和储运的构件上，铝对氧的亲和力很高，故也大量用于钢和铁的除氧剂。

世界上的产铝量集中于美国、俄罗斯、加拿大、澳大利亚、巴西、挪威，上列国家的产铝量占全球产量的609^以上。

铝的供应来源除了原铝外，回收铝也占有很高的比例，回收铝又分为旧料回收（主要来源是饮料罐和汽车废件）、新料回收（加工过程中的铝屑）两种。

由于环保意识升高，回收铝量年年创新高。

铝工业是产业关联度较高的产业，铝与原材料制造业和装备制造业的关系非常密切。

在我国，现有124个产业中，有113个部门使用铝产品，其中：在 101个物质生产部门中，有96个产业部门消耗铝冶炼产品或压延产品；在23 个非物质生产部门中，有17个产业部门消耗铝冶炼产品或压延产品。

根据投人产出表测算，原材料制造业消耗铝产品总量占全部124个产业消耗量的 32^ 6^，装备制造产业消耗铝产品总量占全部124个产业消耗量的58^ 3，原材料制造业和装备制造业合计消耗占90^ 9。

制造业包括消费品制造业、原材料制造业和装备制造业，而这些产业都是我国经济增长的发动机，产业结构优化的推动力。

制造业加速发展，将会带动国民经济保持较长的高速增长期。

预计我国在今后一定时间里，仍将处在工业化进程中。

因此，作为工业基础的铝工业的发展状况就显得更加重要。

我国经济将继续保持相对较高的增长率，一方面对铝工业的发展提供了巨大的需求空间，另一方面也更提高了铝工业在国民经济中的地位，增加了快速发展铝工业的紧迫性。

1.2铝电解的基本理论知识1.2.1 铝电解的基本原理铝土矿石经过溶出，沉降分离，分解，焙烧等一系列工序处理得到固体氧化铝，作为铝电解的原料。

固体氧化铝溶解在焙融冰晶石焙体中，形成具有良好的导电性均匀熔体，采用碳素材料做阴阳两极，当通入直流电后，即在两极上发生电化学反应，在阳极上得到气态物质，阴极上得到液态铝，其过程简单的描述为：溶解的氧化铝通9直！电液态铝（阴极〕十气态物质（阳极〉铝的工业生产全部采用活性阳极〈炭阳极〕。

采用炭阳极生产时，随着电解过程的进行，阳极碳参与电化学反应，生成碳的化合物一一二氧化碳（(^：)，反应式为：苜流由八1203〈溶解 + 1.5^(固）^^2八1(液）十 1.5(^2其电极反应过程为：八1203〈固）溶解、电由离^2人配合状〉。

(^配合状〉阴极：八配合状〉十^^人“液) 阳极：02一〈配合状〕―知：^^原子）20〈原子)―以固)二⑶2〈气)依据此原理随着反应不断进行，电解质熔体中的氧化铝、固体碳阳极不断被消耗掉，因此，生产中需不断地向电解质熔体中添加氧化铝和补充碳阳极，使生产得以连续进行。

冰晶石在原则上不消耗，但在高温熔融状态下会发生挥发损失和其他机械损失，因此，电解过程中也需做一定补充。

除此之外，还需向反应过程供给大量的直流电，吨铝的直流电能消耗为13000〜15000 ^^ ‘、以推动反应向生成铝的方向进行。

在实际生产中，阳极气体不完全是^0乂二氧化碳），而是^0：和^0的混合物，其中^0主要由电解过程中的副反应所产生，也称为二次气体。

1.2.2铝电解质及其性质铝电解生产中，连接阳极和阴极之间不可缺少的熔盐叫电解质。

在电解过程中，液体电解质是保证电解过程能够进行的重要条件之一。

液体电解质主要以冰晶石为溶剂以氧化铝为溶质而组成，其主要成分是冰晶石〈占859^左右），还含有一定数量的其他有用成分和杂质，如氧化钠、氧化铁、氧化硅等。

冰晶石的化学式为〜^“？6，此种配比的冰晶石称为正冰晶石。

正冰晶石在常温下呈白色固体，其实测熔点约为1010冗，自然界中天然冰晶石的贮量极少，工业上所用冰晶石均为化学合成产品。

冰晶石中所含氟化钠摩尔数与氟化铝摩尔数之比称为冰晶石的摩尔比（俗称分子比〕，其表达式为：冰晶石的塵尔比〜-冰晶石中所含氟化钠摩尔数―^冰曰日石的摩小比〜-冰晶石中所含氟化铝摩尔数―〜巧工业上也将冰晶石中氟化钠与氟化铝的组成比用质量比表示其表达式为：冰曰石的质旦比厂冰晶石中所含氟化钠成分的质量冰日日石的质里比尺^冰晶石中所含氟化铝成分的质量^^在关系上，摩尔比二质量比乂2 即8 = 1^2摩尔比等于3〈质量比等于1.5〕的冰晶石形成的电解质称为中性电解质，摩尔比大于3〈质量比大于1. 5〕的冰晶石形成的电解质称为碱性电解质，摩尔比小于3〈质量比小于1 ^ 5〕的冰晶石形成的电解质称为酸性电解质。

目前铝工业上均采用酸性电解质生产。

铝电解质的性质，对铝电解生产十分重要。

了解和掌握电解质的各种性质，有助于指导实际生产条件的控制改善生产技术指标，提高生产效益。

铝电解质的性质主要指电解质的初晶温度、密度、导电度、粘度、表面性质、挥发性等。

下面分别介绍并叙述其与生产的关系。

1.初晶温度初晶温度是指混合物液体开始形成固态晶体的温度。

熔点是晶体物质由固态转变为液态的温度，所以初晶温度与熔点的物理意义是不同的。

电解质的初晶温度与其物质结构有关，纯的正冰晶石的熔点为1010冗，但在其中添加固体氧化铝形成冰晶石-氧化铝均匀熔体电解质后，其初晶温度随氧化铝含量增多而降低。

当氧化铝的含量达到约109时，中性铝电解质熔体的初晶温度达到最低点，约为960冗。

电解质的摩尔比降低，其初晶温度也随之降低，但氧化铝的溶解量却会降低。

对于铝电解而言，由于熔盐电解必须在高于铝熔点的温度下进行，因此铝的熔点决定了熔盐电解的温度。

在此前提之下，生产中需要电解质的初晶温度越低越好，这样可以降低工作温度〈工作温度一般控制在初晶温度以上 10-15冗的范围〕。

另外为了降低能耗和对反应器材料及保温性能的要求，改善工人的工作环境，减小电解质的挥发损失，也希望在较低温度下进行电解，因此生产中一般力求降低电解质的初晶温度。

2^密度密度是指单位体积的某物质的质量，其单位为：8八“。

冰晶石在接近熔点处的密度为1. 112 ^^砠3，随着温度升高，密度呈线性降低。

在电解槽的正常生产过程中，槽内始终存在着两种不相互混合的液体层，上层是电解质，下层是液体铝。

如果电解质的密度与液体铝的密度相同或接近，二者难以分层、分离，对生产则是极不利的。

铝液和电解质的密度随着温度升高而降低，由于两者的性质不同，他们的密度随温度升高而下降的速度不同，这样就在同一电解温度下出现了密度差，从而保证两者能较好的分层。

影响电解质密度的因素较多，其中主要有电解质温度和添加物。

电解质温度升高其密度减少；反之，温度降低，电解质密度增大。

氧化铝含量增多，密度随之降低。

而添加剂也可以改变熔盐电解质的密度。

在常用的各种添加剂中，喊和使电解质密度增大，而添加口？使电解质密度减小。

“203、与电解质中的冰晶石反应生成体积庞大的络合离子，因而它们能使电解质密度减小。

熔融电解质的密度关系着电解质与产物的分离，希望二者密度不同，自然分层，而且密度差愈大愈有利于生产。

例如铝电解时电解质密度为2.08 ^^砠3，而液态铝为2.3 8八砠3，铝水的密度比电解质大些，故沉于电解槽底部。

生产中，为了增大密度差，应尽可能减小电解质的密度，以增大铝液与电解质的密度差，有利于铝液分离，提高电流效率。

、-粘度熔融电解质的粘度一般在1 乂⑴-3〜10 ^！)-3？^ ’8范围之内，数值是较低的。

粘度除影响电导外，对熔盐电解过程影响很大。