现代铝电解——理论与技术电子书

第1章 铝电解槽

1.1 世界铝电解槽发展简史

1.2 中国铝电解槽发展简史

1.2.1 上插自焙阳极电解槽技术

1.2.2 预焙阳极电解槽技术

1.2.3 135kA较大型边部加工下料预焙阳极电解槽技术

1.2.4 135kA中间点式下料预焙阳极电解槽技术

1.2.5 自焙槽改预焙槽技术

1.2.6 大型预焙阳极电解槽技术的发展

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第2章 电解质晶体和熔体结构

2.1 冰晶石熔体的成分

2.2 冰晶石的晶体结构

2.3 含Li3AlF6、K3AlF6添加剂的冰晶石晶体结构

2.4 电解质中各组分的晶体结构

2.4.1 冰晶石(Na3AlF6)

2.4.2 氟化铝(AlF3)

2.4.3 氟化钙(CaF2)

2.4.4 氧化铝(Al2O3)

2.4.5 氟化钾(KF)

2.4.6 氟化锂(LiF)

2.4.7 氟化镁(MgF2)

2.5 冰晶石的熔体结构

2.6 冰晶石熔体的离解反应

2.7 CaF2在Na3AlF6熔体中的离解反应和离子结构

2.8 LiF在Na3AlF6熔体中的离解反应和离子结构

2.9 Al2O3在Na3AlF6熔体中的离解反应和离子结构

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第3章 电解质的物理化学性质

3.1 相图与电解质的初晶温度

3.1.1 NaF⁃AlF3二元系

3.1.2 LiF⁃AlF3二元系

3.1.3 KF⁃AlF3二元系

3.1.4 Na3AlF6⁃Al2O3二元系

3.1.5 Na3AlF6⁃AlF3⁃Al2O3三元系

3.1.6 Na3AlF6⁃AlF3⁃CaF2三元系

3.1.7 Na3AlF6⁃Al2O3⁃MgF2三元系

3.1.8 MgF2对不同分子比冰晶石熔体初晶温度的影响

3.1.9 Na3AlF6⁃CaF2⁃AlF3⁃Al2O3四元系

3.1.10 在分子比2.5、MgF2与CaF2为5%条件下,Al2O3含量对初晶温度的影响

3.1.11 Na3AlF6⁃AlF3⁃CaF2⁃Al2O3⁃LiF⁃MgF2六元系

3.2 LiF对冰晶石电解质初晶温度的影响

3.3 KF对分子比小于3电解质初晶温度的影响

3.4 LiF和KF同时存在对电解质初晶温度的影响

3.5 各种氧化物杂质对电解质初晶温度的影响

3.6 铝的存在对电解质初晶温度的影响

3.7 电解质初晶温度的测量方法

3.7.1 目测法

3.7.2 冷却曲线法

3.7.3 差热曲线法

3.8 工业铝电解质初晶温度的槽前实时测量

3.8.1 冷却曲线法槽前实时测量

3.8.2 差热曲线法槽前实时测量

3.9 电解质的酸碱度

3.9.1 电解质酸碱度的表示方法

3.9.2 工业电解槽中各种添加剂对电解质酸碱性的影响

3.9.3 电解质分子比的测量方法

3.10 电导

3.10.1 冰晶石电解质熔体导电的本质

3.10.2 NaF⁃AlF3二元系熔体的电导

3.10.3 冰晶石熔体中NaF的离解度与导电离子的迁移数

3.10.4 温度对电解质熔体电导率的影响

3.10.5 CaF2、MgF2、LiF、KF对电解质熔体导电性能的影响

3.10.6 氧化铝对冰晶石熔体导电性能的影响

3.10.7 含炭和溶解金属粒子的电解质熔体的导电性能

3.10.8 工业电解槽电解质熔体的导电性能

3.10.9 工业电解槽电解质熔体电导率的测定

3.11 电解质熔体的密度

3.11.1 NaF⁃AlF3二元系熔体密度

3.11.2 各种添加剂对冰晶石熔体密度的影响

3.11.3 氧化铝浓度和温度对冰晶石电解质熔体密度的影响

3.12 黏度

3.12.1 电解质熔体的黏度

3.12.2 铝液的黏度

3.13 表面性质

3.13.1 电解质熔体对炭的湿润性

3.13.2 熔融铝与熔融电解质之间的界面张力

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第4章 铝电解槽中的电极过程与电极反应

4.1 阴极过程与阴极反应

4.1.1 铝电解槽阴极上的一次电解产物

4.1.2 阴极电解反应

4.1.3 阴极过电压

4.1.4 阴极过电压的机理

4.1.5 阴极表面层电解质的成分

4.1.6 阴极表面的电场强度

4.1.7 阴极表面导电离子的传质

4.1.8 铝电解的各种工艺条件对阴极过电压的影响

4.2 阳极过程及阳极反应

4.2.1 阳极反应

4.2.2 阳极一次气体产物

4.2.3 阳极过电压

4.2.4 阳极过电压的机理

4.2.5 铝电解工艺操作对阳极过电压的影响

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第5章 槽电压

5.1 槽电压的组成和性质

5.2 电解质中Al2O3的理论分解电压

5.3 阳极反应过电压、阳极浓度扩散过电压和阴极过电压

5.4 电解质的电压降

5.4.1 阳极侧部的扇形形状及扇形电流分布

5.4.2 工业电解槽电解质电阻RB的计算

5.5 阴极电压降

5.5.1 由阴极炭块本身的电阻引起的电压降

5.5.2 阴极钢棒的电压降

5.5.3 阴极炭块与阴极钢棒之间的接触电压降

5.6 阳极电压降

5.7 电解槽热平衡体系之外的母线电压降

5.8 槽电压计算举例

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

5.10 过电压的实验室测定

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

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

5.11 工业电解槽过电压的测定

5.12 实验室利用全波脉冲直流电压电解进行电解槽反电动势的测定

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第6章 阳极效应

6.1 阳极效应的特征和现象

6.2 阳极效应对电解槽的影响

6.2.1 阳极效应的正面影响

6.2.2 阳极效应的负面影响

6.3 阳极效应的机理

6.4 临界电流密度

6.5 各种因素对临界电流密度的影响

6.5.1 临界电流密度与氧化铝浓度的关系

6.5.2 温度对临界电流密度的影响

6.5.3 电极材料对临界电流密度的影响

6.5.4 分子比大小和添加剂对临界电流密度的影响

6.6 工业铝电解槽的效应电压

6.7 工业铝电解槽阳极效应发生的规律、预测与预报

6.8 阳极效应的熄灭

6.9 阳极效应对环境的影响

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第7章 冰晶石-氧化铝熔盐电解电化学反应的热力学

7.1 冰晶石氧化铝熔盐电解的能量消耗

7.2 氧化铝的可逆分解电压Erev

7.3 氧化铝的活度

7.4 铝电解实际能量需求

7.5 铝电解的当量电压

7.6 铝电解槽电压及其电能分配

7.7 铝电解槽的热损失和能量平衡

7.8 铝电解槽的能量利用率

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第8章 铝电解的电流效率

8.1 熔盐电解中的法拉第定律

8.2 铝的电化学当量

8.3 铝电解槽电流效率的定义

8.4 铝电解槽电流效率降低的原因

8.4.1 电解槽漏电或局部极间短路造成电流损失

8.4.2 铝的不完全放电引起电流空耗

8.4.3 其他离子放电所引起的电流效率损失

8.4.4 电子导电

8.4.5 阴极上生成金属钠

8.4.6 阴极铝的溶解损失

8.4.7 关于阴极铝的电化学溶解问题

8.4.8 阴极铝溶解损失的本质

8.4.9 铝在电解质中的溶解度与铝损失

8.4.10 铝溶解度的测定方法

8.5 铝溶解损失的机理

8.6 铝二次反应的机理

8.7 电流效率的数学模型

8.8 工艺参数和操作对电流效率的影响

8.8.1 温度对电流效率的影响

8.8.2 电解质分子比对电流效率的影响

8.8.3 氧化铝浓度对电流效率的影响

8.8.4 各种添加剂对电流效率的影响

8.8.5 极距对电流效率的影响

8.8.6 电流密度对电流效率的影响

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

8.8.8 阳极电流分布对电流效率的影响

8.8.9 阳极换块对电流效率的影响

8.8.10 槽膛形状与电流效率

8.8.11 铝水平对电流效率的影响

8.8.12 电解质过热度对电流效率的影响

8.8.13 电解质黏度与电流效率

8.8.14 界面张力与电流效率

8.8.15 电解槽的稳定性与电流效率

8.9 工业铝电解槽上阴极铝的溶解损失

8.10 铝电解槽的极限电流效率

8.11 工业铝电解槽电流效率的测量与计算

8.11.1 工业电解槽电流效率的测定

8.11.2 实验室电解槽电流效率的测定

8.11.3 工业电解槽瞬时电流效率的测定

8.11.4 CO2气体分析法测定电流效率的局限性

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第9章 预焙阳极

9.1 预焙阳极的制造流程

9.2 预焙阳极制造所用原料

9.2.1 石油焦

9.2.2 煤沥青

9.2.3 阳极残极

9.3 成型

9.3.1 配料

9.3.2 沥青需求量

9.3.3 Blaine数配料应用实例

9.3.4 干料的预热、糊料的混捏和冷却

9.3.5 阳极成型

9.3.6 成型阳极的冷却

9.3.7 阳极焙烧

9.3.8 焙烧对阳极质量的影响

9.3.9 环式焙烧炉焙烧技术的改进

9.4 预焙阳极在电解槽上的行为

9.4.1 热震(热冲击)

9.4.2 阳极消耗

9.4.3 铝电解生产对阳极的质量要求

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第10章 铝电解槽的阴极

10.1 电解槽的阴极结构

10.2 制造电解槽炭阴极内衬的材料

10.2.1 无烟煤

10.2.2 冶金焦

10.2.3 人造石墨

10.2.4 石油焦

10.3 氮化硅结合的碳化硅绝缘内衬

10.4 阴极炭块

10.4.1 阴极炭块的分类及使用性能

10.4.2 几种阴极炭块的性能比较

10.4.3 具有开发和应用前景的两种新型阴极底块

10.5 捣固糊

10.5.1 捣固糊的分类及质量指标

10.5.2 捣固糊在焙烧过程中的膨胀与收缩

10.5.3 捣固糊收缩率的测定

10.5.4 降低收缩率的方法

10.6 糊的捣固性能

10.6.1 糊的捣固性能及其试验

10.6.2 施工中捣固糊密度的测定

10.7 电解过程中钠和电解质熔体在阴极炭块中的渗透

10.7.1 试验研究方法

10.7.2 钠在电解质熔体中的渗透速度

10.7.3 由化学反应所引起的钠的渗透

10.7.4 由电化学反应所引起的钠的渗透

10.7.5 钠嵌入化合物在阴极中的存在

10.7.6 钠的渗透机理

10.7.7 电解质熔体在阴极炭块中的渗透

10.8 碳化铝在阴极炭块中的生成机理

10.9 铝电解过程中阴极上出现的Rapoport效应

10.10 铝电解生产对阴极炭块的质量要求

10.10.1 底块和侧块的标准检测

10.10.2 用户(电解工厂)对电解槽底块和侧块的检测

10.10.3 底块和侧块的非标准检测

10.10.4 捣固糊质量

10.11 提高铝电解槽的阴极寿命

10.11.1 合理的电解槽设计

10.11.2 合理的电解温度

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第11章 电解槽的焙烧、启动与技术管理

11.1 焙烧的目的

11.2 焙烧方法的选择

11.2.1 铝液焙烧

11.2.2 炭粒焙烧

11.2.3 铝锭、铝块和铝屑焙烧

11.2.4 火焰焙烧

11.2.5 焙烧方法的选择

11.3 铝电解槽焙烧质量的评价

11.3.1 升温速度

11.3.2 最终焙烧温度

11.3.3 阴极底块中的温度梯度

11.3.4 焙烧过程中阴极表面的温度分布

11.3.5 阳极电流分布

11.3.6 阴极电流分布

11.4 铝电解槽的炭粒焙烧

11.4.1 炭粒粒度的选择

11.4.2 炭粒床厚度和炭粒种类的选择

11.4.3 升温速度的控制

11.4.4 焙烧过程中电流分布的调节

11.5 电解槽的干法启动

11.6 电解槽的常规启动

11.7 过渡期电解槽的工艺特点与操作要点

11.8 铝电解转入正常生产以后的工艺操作与技术管理

11.8.1 温度

11.8.2 电解质的组成

11.8.3 铝水平

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

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第12章 铝电解槽电流的强化

12.1 电流强化的可能性

12.2 我国自焙槽强化电流的历史回顾

12.3 铝电解槽电流强化的几个技术问题

12.3.1 电流强化后的电流效率问题

12.3.2 阳极和阴极电压降问题

12.3.3 电解质电压降问题

12.3.4 电流强化后的热平衡问题

12.3.5 进一步提高阳极质量的问题

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第13章 氧化铝及其在电解槽中的行为

13.1 氧化铝的生产——粉状氧化铝和沙状氧化铝

13.2 铝电解对氧化铝性质的要求

13.3 氧化铝的性质

13.4 电解槽上部结壳的性质

13.5 泥状沉降物的性质

13.6 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

13.6.1 氧化铝的溶解热

13.6.2 CaF2添加剂对α⁃Al2O3溶解热的影响

13.6.3 LiF添加剂对α⁃Al2O3溶解热的影响

13.6.4 添加AlF3对α⁃Al2O3溶解热焓的影响

13.6.5 有铝存在时α⁃Al2O3的溶解热焓

13.6.6 γ⁃Al2O3转变成α⁃Al2O3的相变热

13.7 氧化铝在冰晶石熔体中的溶解度

13.8 氧化铝的溶解及其机理——控速步骤

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第14章 铝电解生成过程的控制

14.1 铝电解过程的诊断与控制

14.2 铝电解正常生产过程的控制

14.2.1 槽电压的控制

14.2.2 槽电压不稳定(摆动)情况的处理

14.2.3 氧化铝浓度控制

14.2.4 氧化铝下料过程控制对极距的影响

14.3 熄灭阳极效应

14.4 添加氟化铝

14.5 槽电压噪声的控制

14.6 电解槽初晶温度和过热度的控制

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第15章 铝电解槽的温度场

15.1 传热问题概述

15.1.1 传热的3种形式

15.1.2 传热问题的边界条件及求解方法

15.2 铝电解槽传热过程的物理模型

15.3 铝电解槽传热过程二维稳态数学模型

15.3.1 电解槽数学模型求解区域的单元划分

15.3.2 热交换过程的控制方程及其离散

15.3.3 铝电解槽数学模型的边界条件

15.4 计算实例

15.4.1 计算所需数据的选取

15.4.2 计算结果

15.5 铝电解槽内结壳与介质换热系数的计算

15.5.1 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

15.5.2 炉帮与电解质熔体和铝液熔体之间的换热系数

15.5.3 热流管法计算槽帮与电解质熔体之间的换热系数

15.5.4 计算实例

15.6 铝电解过程中槽膛形状的变化

15.6.1 铝电解过程中铝液水平的变化对槽膛形状的影响

15.6.2 选用不同的内衬炭材料对槽膛形状的影响

15.7 铝电解槽电压、电流变化对电解槽热平衡的影响

15.7.1 计算原理和计算方法

15.7.2 计算实例

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第16章 铝电解槽的电场合磁场

16.1 工业铝电解槽中的电场

16.1.1 阳极电流分布

16.1.2 电解质熔体中的电流分布

16.1.3 阴极铝液中的电流分布

16.2 工业铝电解槽内的磁场

16.3 铝电解槽母线的设计

16.4 铝电解槽磁场的测量

16.4.1 铝电解槽磁场的热态测量

16.4.2 铝电解槽磁场的冷态测量

16.4.3 测量结果的误差分析

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第17章 电解槽阴极铝液的流动

17.1 国内外有关铝电解槽流场研究的现状

17.2 流体力学的研究方法

17.3 湍流问题的数值计算方法

17.3.1 直接模拟法

17.3.2 大涡模拟法

17.3.3 雷诺时均方程法

17.4 铝电解槽流场控制方程的建立及离散

17.4.1 连续性方程

17.4.2 运动方程

17.4.3 能量方程

17.4.4 铝电解槽流场的数学描述

17.4.5 求解区域的离散化

17.4.6 离散方程的建立

17.4.7 离散方程的求解方法

17.4.8 铝电解槽流场的计算

17.4.9 铝电解槽阴极铝液的流动形式

17.5 铝液流速的测定

17.5.1 铁棒溶解法测定铝液流速

17.5.2 用Alcoa便携式叶片流量计测铝液流速

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第18章 电解槽阴极铝液面的波动

18.1 电解槽阴极铝液面波动的机理

18.2 阴极铝液面波动的数值模拟

18.2.1 线性模型

18.2.2 非线性模型

18.3 铝液面波动形式

18.4 阴极铝液面波动的测定

18.4.1 阴极铝液面波动测定技术原理

18.4.2 阴极铝液面波动测定技术的软硬件设计

18.4.3 阴极铝液面波动的测定

18.4.4 阴极铝液面波动的测定实例

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第19章 铝电解生成中的氟化盐消耗与烟气治理

19.1 铝电解生产过程中的氟化盐消耗

19.1.1 铝电解质蒸发

19.1.2 电解质的水解所引起的电解质消耗

19.1.3 原料中的杂质与电解质的反应引起电解质的消耗

19.1.4 电解过程中阴极内衬吸收电解质

19.1.5 电解槽开动时的氟化盐消耗

19.1.6 阳极效应期间所引起的电解质消耗

19.1.7 氟的平衡

19.2 电解槽烟气的干法净化

19.2.1 电解槽烟气的组成

19.2.2 电解槽氟排放量的环保标准

19.2.3 干法净化的理论基础

19.2.4 干法净化的工艺过程及设备原理

19.3 SO2的净化技术

19.3.1 海水脱硫技术

19.3.2 碱液吸收法脱硫技术

19.3.3 烟气的干法除硫技术

19.3.4 烟气的半干半湿法除硫(SO2)技术

19.3.5 铝电解槽烟气脱硫

19.3.6 铝电解槽烟气脱硫的副产物

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第20章 铝厂固体废料的物相组成、分离与回收

20.1 阳极炭渣的回收处理和利用

20.1.1 阳极炭渣的组成

20.1.2 阳极炭渣中炭的产生与生成机理

20.1.3 阳极炭渣的处理与回收利用

20.1.4 真空蒸馏法分离阳极炭渣

20.2 铝灰渣资源的回收和利用

20.3 电解槽大修固体废料的处理和回收

20.3.1 废阴极炭块及其物相组成

20.3.2 耐火材料固体废料及其物相组成

20.3.3 炉底内衬耐火材料中的反应

20.3.4 电解槽废阴极内衬的回收处理技术

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第21章 铝电解深度节能——理论与技术

21.1 铝电解深度节能的技术原理

21.2 槽电压的选择

21.3 电解质组成与成分的选择

21.4 铝电解槽阴极节电的技术原理与方法

21.4.1 铝电解槽炭阴极电阻电压降的降低

21.4.2 阴极钢棒电阻电压降的降低

21.4.3 阴极钢/炭电压降的降低

21.5 阳极电压降的降低

21.6 降低铝液波动实现铝电解槽有效极距的降低和电流效率的提高

21.6.1 采用非对称的母线结构设计,减少相邻厂房系列电流磁场的影响

21.6.2 用空载母线的磁场抵消相邻厂房系列电流的磁场

21.6.3 改电解系列的平行厂房设计为矩形电解厂房设计

21.6.4 采用异型阴极结构电解槽减少阴极铝液面波动

21.6.5 采用坡面阴极减小阴极铝液内的水平电流

21.7 槽电压和极距的选择

21.8 提高阳极的密度和电导率

21.9 选用较为先进的真空闪蒸沥青黏结剂

21.10 提高电流效率

21.11 减少热损失

21.12 减少电解槽侧部热损失

21.13 减少槽底散热

21.14 减少槽面散热

21.15 惰性阳极铝电解槽

21.16 多室铝电解槽工业化的技术障碍

参 考 文 献