现代铝电解——理论与技术 冯乃祥 编 专业科技 文轩网

第1章铝电解槽/1
1.1世界铝电解槽发展简史/1
1.2中国铝电解槽发展简史/6
1.2.1上插自焙阳极电解槽技术/6
1.2.2预焙阳极电解槽技术/7
1.2.3135kA较大型边部加工下料预焙阳极电解槽技术/7
1.2.4135kA中间点式下料预焙阳极电解槽技术/8
1.2.5自焙槽改预焙槽技术/8
1.2.6大型预焙阳极电解槽技术的发展/8
参考文献/9
第2章电解质晶体和熔体结构/10
2.1冰晶石熔体的成分/10
2.2冰晶石的晶体结构/11
2.3含Li3AlF6、K3AlF6添加剂的冰晶石晶体结构/11
2.4电解质中各组分的晶体结构/12
2.4.1冰晶石(Na3AlF6)/12
2.4.2氟化铝(AlF3)/12
2.4.3氟化钙(CaF2)/12
2.4.4氧化铝(Al2O3)/12
2.4.5氟化钾(KF)/13
2.4.6氟化锂(LiF)/13
2.4.7氟化镁(MgF2)/13
2.5冰晶石的熔体结构/13
2.6冰晶石熔体的离解反应/14
2.7CaF2在Na3AlF6熔体中的离解反应和离子结构/19
2.8LiF在Na3AlF6熔体中的离解反应和离子结构/20
2.9Al2O3在Na3AlF6熔体中的离解反应和离子结构/20
参考文献/22
第3章电解质的物理化学性质/23
3.1相图与电解质的初晶温度/23
3.1.1NaF-AlF3二元系/23
3.1.2LiF-AlF3二元系/24
3.1.3KF-AlF3二元系/25
3.1.4Na3AlF6-Al2O3二元系/26
3.1.5Na3AlF6-AlF3-Al2O3三元系/27
3.1.6Na3AlF6-AlF3-CaF2三元系/27
3.1.7Na3AlF6-Al2O3-MgF2三元系/28
3.1.8MgF2对不同分子比冰晶石熔体初晶温度的影响/28
3.1.9Na3AlF6-CaF2-AlF3-Al2O3四元系/29
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/30
3.1.11Na3AlF6-AlF3-CaF2-Al2O3-LiF-MgF2六元系/30
3.2LiF对冰晶石电解质初晶温度的影响/31
3.3KF对分子比小于3电解质初晶温度的影响/31
3.4LiF和KF同时存在对电解质初晶温度的影响/32
3.5各种氧化物杂质对电解质初晶温度的影响/32
3.6铝的存在对电解质初晶温度的影响/33
3.7电解质初晶温度的测量方法/33
3.7.1目测法/34
3.7.2冷却曲线法/34
3.7.3差热曲线法/34
3.8工业铝电解质初晶温度的槽前实时测量/35
3.8.1冷却曲线法槽前实时测量/36
3.8.2差热曲线法槽前实时测量/36
3.9电解质的酸碱度/42
3.9.1电解质酸碱度的表示方法/42
3.9.2工业电解槽中各种添加剂对电解质酸碱性的影响/42
3.9.3电解质分子比的测量方法/47
3.10电导/49
3.10.1冰晶石电解质熔体导电的本质/49
3.10.2NaF-AlF3二元系熔体的电导/50
3.10.3冰晶石熔体中NaF的离解度与导电离子的迁移数/50
3.10.4温度对电解质熔体电导率的影响/51
3.10.5CaF2、MgF2、LiF、KF对电解质熔体导电性能的影响/51
3.10.6氧化铝对冰晶石熔体导电性能的影响/54
3.10.7含炭和溶解金属粒子的电解质熔体的导电性能/54
3.10.8工业电解槽电解质熔体的导电性能/56
3.10.9工业电解槽电解质熔体电导率的测定/57
3.11电解质熔体的密度/58
3.11.1NaF-AlF3二元系熔体密度/58
3.11.2各种添加剂对冰晶石熔体密度的影响/59
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/59
3.12黏度/60
3.12.1电解质熔体的黏度/60
3.12.2铝液的黏度/61
3.13表面性质/61
3.13.1电解质熔体对炭的湿润性/62
3.13.2熔融铝与熔融电解质之间的界面张力/65
参考文献/66
第4章铝电解槽中的电极过程与电极反应/68
4.1阴极过程与阴极反应/68
4.1.1铝电解槽阴极上的一次电解产物/68
4.1.2阴极电解反应/69
4.1.3阴极过电压/70
4.1.4阴极过电压的机理/71
4.1.5阴极表面层电解质的成分/72
4.1.6阴极表面的电场强度/72
4.1.7阴极表面导电离子的传质/73
4.1.8铝电解的各种工艺条件对阴极过电压的影响/74
4.2阳极过程及阳极反应/75
4.2.1阳极反应/75
4.2.2阳极一次气体产物/75
4.2.3阳极过电压/77
4.2.4阳极过电压的机理/78
4.2.5铝电解工艺操作对阳极过电压的影响/79
参考文献/79
第5章槽电压/81
5.1槽电压的组成和性质/81
5.2电解质中Al2O3的理论分解电压/81
5.3阳极反应过电压、阳极浓度扩散过电压和阴极过电压/82
5.4电解质的电压降/82
5.4.1阳极侧部的扇形形状及扇形电流分布/82
5.4.2工业电解槽电解质电阻RB的计算/82
5.5阴极电压降/84
5.5.1由阴极炭块本身的电阻引起的电压降/84
5.5.2阴极钢棒的电压降/85
5.5.3阴极炭块与阴极钢棒之间的接触电压降/85
5.6阳极电压降/86
5.7电解槽热平衡体系之外的母线电压降/86
5.8槽电压计算举例/86
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/89
5.10过电压的实验室测定/91
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/91
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/94
5.11工业电解槽过电压的测定/95
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/97
参考文献/97
第6章阳极效应/98
6.1阳极效应的特征和现象/98
6.2阳极效应对电解槽的影响/99
6.2.1阳极效应的正面影响/99
6.2.2阳极效应的负面影响/99
6.3阳极效应的机理/100
6.4临界电流密度/102
6.5各种因素对临界电流密度的影响/104
6.5.1临界电流密度与氧化铝浓度的关系/104
6.5.2温度对临界电流密度的影响/105
6.5.3电极材料对临界电流密度的影响/105
6.5.4分子比大小和添加剂对临界电流密度的影响/105
6.6工业铝电解槽的效应电压/106
6.7工业铝电解槽阳极效应发生的规律、预测与预报/106
6.8阳极效应的熄灭/111
6.9阳极效应对环境的影响/111
参考文献/113
第7章冰晶石-氧化铝熔盐电解电化学反应的热力学/115
7.1冰晶石氧化铝熔盐电解的能量消耗/115
7.2氧化铝的可逆分解电压Erev/116
7.3氧化铝的活度/117
7.4铝电解实际能量需求/117
7.5铝电解的当量电压EΔH0/119
7.6铝电解槽电压及其电能分配/120
7.7铝电解槽的热损失和能量平衡/120
7.8铝电解槽的能量利用率/121
参考文献/122
第8章铝电解的电流效率/123
8.1熔盐电解中的法拉第定律/123
8.2铝的电化学当量/123
8.3铝电解槽电流效率的定义/124
8.4铝电解槽电流效率降低的原因/125
8.4.1电解槽漏电或局部极间短路造成电流损失/125
8.4.2铝的不接近放电引起电流空耗/125
8.4.3其他离子放电所引起的电流效率损失/125
8.4.4电子导电/127
8.4.5阴极上生成金属钠/127
8.4.6阴极铝的溶解损失/128
8.4.7关于阴极铝的电化学溶解问题/129
8.4.8阴极铝溶解损失的本质/129
8.4.9铝在电解质中的溶解度与铝损失/131
8.4.10铝溶解度的测定方法/131
8.5铝溶解损失的机理/133
8.6铝二次反应的机理/135
8.7电流效率的数学模型/137
8.8工艺参数和操作对电流效率的影响/138
8.8.1温度对电流效率的影响/138
8.8.2电解质分子比对电流效率的影响/139
8.8.3氧化铝浓度对电流效率的影响/140
8.8.4各种添加剂对电流效率的影响/141
8.8.5极距对电流效率的影响/143
8.8.6电流密度对电流效率的影响/144
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/145
8.8.8阳极电流分布对电流效率的影响/146
8.8.9阳极换块对电流效率的影响/147
8.8.10槽膛形状与电流效率/148
8.8.11铝水平对电流效率的影响/149
8.8.12电解质过热度对电流效率的影响/149
8.8.13电解质黏度与电流效率/150
8.8.14界面张力与电流效率/150
8.8.15电解槽的稳定性与电流效率/151
8.9工业铝电解槽上阴极铝的溶解损失/152
8.10铝电解槽的极限电流效率/153
8.11工业铝电解槽电流效率的测量与计算/153
8.11.1工业电解槽电流效率的测定/153
8.11.2实验室电解槽电流效率的测定/159
8.11.3工业电解槽瞬时电流效率的测定/161
8.11.4CO2气体分析法测定电流效率的局限性/161
参考文献/162
第9章预焙阳极/163
9.1预焙阳极的制造流程/163
9.2预焙阳极制造所用原料/165
9.2.1石油焦/165
9.2.2煤沥青/170
9.2.3阳极残极/174
9.3成型/175
9.3.1配料/175
9.3.2沥青需求量/176
9.3.3Blaine数配料应用实例/177
9.3.4干料的预热、糊料的混捏和冷却/178
9.3.5阳极成型/179
9.3.6成型阳极的冷却/180
9.3.7阳极焙烧/181
9.3.8焙烧对阳极质量的影响/183
9.3.9环式焙烧炉焙烧技术的改进/185
9.4预焙阳极在电解槽上的行为/190
9.4.1热震(热冲击)/190
9.4.2阳极消耗/192
9.4.3铝电解生产对阳极的质量要求/197
参考文献/198
第10章铝电解槽的阴极/199
10.1电解槽的阴极结构/199
10.2制造电解槽炭阴极内衬的材料/199
10.2.1无烟煤/200
10.2.2冶金焦/201
10.2.3人造石墨/202
10.2.4石油焦/202
10.3氮化硅结合的碳化硅绝缘内衬/202
10.4阴极炭块/202
10.4.1阴极炭块的分类及使用性能/202
10.4.2几种阴极炭块的性能比较/204
10.4.3具有开发和应用前景的两种新型阴极底块/204
10.5捣固糊/205
10.5.1捣固糊的分类及质量指标/205
10.5.2捣固糊在焙烧过程中的膨胀与收缩/207
10.5.3捣固糊收缩率的测定/207
10.5.4降低收缩率的方法/208
10.6糊的捣固性能/208
10.6.1糊的捣固性能及其试验/208
10.6.2施工中捣固糊密度的测定/209
10.7电解过程中钠和电解质熔体在阴极炭块中的渗透/210
10.7.1试验研究方法/210
10.7.2钠在电解质熔体中的渗透速度/212
10.7.3由化学反应所引起的钠的渗透/213
10.7.4由电化学反应所引起的钠的渗透/213
10.7.5钠嵌入化合物在阴极中的存在/214
10.7.6钠的渗透机理/215
10.7.7电解质熔体在阴极炭块中的渗透/216
10.8碳化铝在阴极炭块中的生成机理/218
10.9铝电解过程中阴极上出现的Rapoport效应/220
10.10铝电解生产对阴极炭块的质量要求/222
10.10.1底块和侧块的标准检测/222
10.10.2用户(电解工厂)对电解槽底块和侧块的检测/222
10.10.3底块和侧块的非标准检测/222
10.10.4捣固糊质量/223
10.11提高铝电解槽的阴极寿命/223
10.11.1合理的电解槽设计/223
10.11.2合理的电解温度/228
参考文献/229
第11章电解槽的焙烧、启动与技术管理/230
11.1焙烧的目的/230
11.2焙烧方法的选择/230
11.2.1铝液焙烧/230
11.2.2炭粒焙烧/231
11.2.3铝锭、铝块和铝屑焙烧/233
11.2.4火焰焙烧/233
11.2.5焙烧方法的选择/234
11.3铝电解槽焙烧质量的评价/235
11.3.1升温速度/235
11.3.2最终焙烧温度/235
11.3.3阴极底块中的温度梯度/235
11.3.4焙烧过程中阴极表面的温度分布/236
11.3.5阳极电流分布/236
11.3.6阴极电流分布/236
11.4铝电解槽的炭粒焙烧/236
11.4.1炭粒粒度的选择/236
11.4.2炭粒床厚度和炭粒种类的选择/236
11.4.3升温速度的控制/237
11.4.4焙烧过程中电流分布的调节/238
11.5电解槽的干法启动/239
11.6电解槽的常规启动/239
11.7过渡期电解槽的工艺特点与操作要点/241
11.8铝电解转入正常生产以后的工艺操作与技术管理/243
11.8.1温度/243
11.8.2电解质的组成/245
11.8.3铝水平/248
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/249
参考文献/251
第12章铝电解槽电流的强化/252
12.1电流强化的可能性/252
12.2我国自焙槽强化电流的历史回顾/253
12.3铝电解槽电流强化的几个技术问题/254
12.3.1电流强化后的电流效率问题/255
12.3.2阳极和阴极电压降问题/255
12.3.3电解质电压降问题/255
12.3.4电流强化后的热平衡问题/256
12.3.5进一步提高阳极质量的问题/257
参考文献/258
第13章氧化铝及其在电解槽中的行为/259
13.1氧化铝的生产——粉状氧化铝和沙状氧化铝/259
13.2铝电解对氧化铝性质的要求/259
13.3氧化铝的性质/260
13.4电解槽上部结壳的性质/263
13.5泥状沉降物的性质/264
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/264
13.6.1氧化铝的溶解热/264
13.6.2CaF2添加剂对α-Al2O3溶解热的影响/265
13.6.3LiF添加剂对α-Al2O3溶解热的影响/266
13.6.4添加AlF3对α-Al2O3溶解热焓的影响/266
13.6.5有铝存在时α-Al2O3的溶解热焓/266
13.6.6γ-Al2O3转变成α-Al2O3的相变热/266
13.7氧化铝在冰晶石熔体中的溶解度/267
13.8氧化铝的溶解及其机理——控速步骤/268
参考文献/272
第14章铝电解生产过程的控制/273
14.1铝电解过程的诊断与控制/273
14.2铝电解正常生产过程的控制/274
14.2.1槽电压的控制/274
14.2.2槽电压不稳定(摆动)情况的处理/275
14.2.3氧化铝浓度控制/275
14.2.4氧化铝下料过程控制对极距的影响/277
14.3熄灭阳极效应/278
14.4添加氟化铝/279
14.5槽电压噪声的控制/280
14.6电解槽初晶温度和过热度的控制/281
参考文献/282
第15章铝电解槽的温度场/283
15.1传热问题概述/283
15.1.1传热的3种形式/283
15.1.2传热问题的边界条件及求解方法/284
15.2铝电解槽传热过程的物理模型/284
15.3铝电解槽传热过程二维稳态数学模型/285
15.3.1电解槽数学模型求解区域的单元划分/285
15.3.2热交换过程的控制方程及其离散/286
15.3.3铝电解槽数学模型的边界条件/291
15.4计算实例/291
15.4.1计算所需数据的选取/291
15.4.2计算结果/293
15.5铝电解槽内结壳与介质换热系数的计算/294
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/294
15.5.2炉帮与电解质熔体和铝液熔体之间的换热系数/296
15.5.3热流管法计算槽帮与电解质熔体之间的换热系数/297
15.5.4计算实例/299
15.6铝电解过程中槽膛形状的变化/301
15.6.1铝电解过程中铝液水平的变化对槽膛形状的影响/301
15.6.2选用不同的内衬炭材料对槽膛形状的影响/304
15.7铝电解槽电压、电流变化对电解槽热平衡的影响/307
15.7.1计算原理和计算方法/308
15.7.2计算实例/310
参考文献/312
第16章铝电解槽的电场和磁场/314
16.1工业铝电解槽中的电场/314
16.1.1阳极电流分布/314
16.1.2电解质熔体中的电流分布/315
16.1.3阴极铝液中的电流分布/315
16.2工业铝电解槽内的磁场/316
16.3铝电解槽母线的设计/319
16.4铝电解槽磁场的测量/321
16.4.1铝电解槽磁场的热态测量/321
16.4.2铝电解槽磁场的冷态测量/322
16.4.3测量结果的误差分析/324
参考文献/325
第17章电解槽阴极铝液的流动/327
17.1国内外有关铝电解槽流场研究的现状/327
17.2流体力学的研究方法/330
17.3湍流问题的数值计算方法/331
17.3.1直接模拟法/331
17.3.2大涡模拟法/331
17.3.3雷诺时均方程法/331
17.4铝电解槽流场控制方程的建立及离散/334
17.4.1连续性方程/334
17.4.2运动方程/335
17.4.3能量方程/335
17.4.4铝电解槽流场的数学描述/336
17.4.5求解区域的离散化/338
17.4.6离散方程的建立/339
17.4.7离散方程的求解方法/341
17.4.8铝电解槽流场的计算/343
17.4.9铝电解槽阴极铝液的流动形式/343
17.5铝液流速的测定/344
17.5.1铁棒溶解法测定铝液流速/344
17.5.2用Alcoa便携式叶片流量计侧铝液流速/345
参考文献/346
第18章电解槽阴极铝液面的波动/348
18.1电解槽阴极铝液面波动的机理/348
18.2阴极铝液面波动的数值模拟/350
18.2.1线性模型/350
18.2.2非线性模型/350
18.3铝液面波动形式/351
18.4阴极铝液面波动的测定/353
18.4.1阴极铝液面波动测定技术原理/353
18.4.2阴极铝液面波动测定技术的软硬件设计/354
18.4.3阴极铝液面波动的测定/359
18.4.4阴极铝液面波动的测定实例/359
参考文献/367
第19章铝电解生产中的氟化盐消耗与烟气治理/368
19.1铝电解生产过程中的氟化盐消耗/368
19.1.1铝电解质蒸发/368
19.1.2电解质的水解所引起的电解质消耗/369
19.1.3原料中的杂质与电解质的反应引起电解质的消耗/371
19.1.4电解过程中阴极内衬吸收电解质/371
19.1.5电解槽开动时的氟化盐消耗/372
19.1.6阳极效应期间所引起的电解质消耗/372
19.1.7氟的平衡/373
19.2电解槽烟气的干法净化/374
19.2.1电解槽烟气的组成/374
19.2.2电解槽氟排放量的环保标准/374
19.2.3干法净化的理论基础/375
19.2.4干法净化的工艺过程及设备原理/377
19.3SO2的净化技术/378
19.3.1海水脱硫技术/378
19.3.2碱液吸收法脱硫技术/379
19.3.3烟气的干法除硫技术/379
19.3.4烟气的半干半湿法除硫(SO2)技术/380
19.3.5铝电解槽烟气脱硫/380
19.3.6铝电解槽烟气脱硫的副产物/381
参考文献/381
第20章铝厂固体废料的物相组成、分离与回收/382
20.1阳极炭渣的回收处理和利用/382
20.1.1阳极炭渣的组成/382
20.1.2阳极炭渣中炭的产生与生成机理/383
20.1.3阳极炭渣的处理与回收利用/385
20.1.4真空蒸馏法分离阳极炭渣/385
20.2铝灰渣资源的回收和利用/388
20.3电解槽大修固体废料的处理和回收/395
20.3.1废阴极炭块及其物相组成/396
20.3.2耐火材料固体废料及其物相组成/400
20.3.3炉底内衬耐火材料中的反应/402
20.3.4电解槽废阴极内衬的回收处理技术/411
参考文献/417
第21章铝电解深度节能——理论与技术/419
21.1铝电解深度节能的技术原理/419
21.2槽电压的选择/420
21.3电解质组成与成分的选择/422
21.4铝电解槽阴极节电的技术原理与方法/423
21.4.1铝电解槽炭阴极电阻电压降的降低/424
21.4.2阴极钢棒电阻电压降的降低/425
21.4.3阴极钢/炭电压降的降低/426
21.5阳极电压降的降低/427
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/430
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/431
21.6.2用空载母线的磁场抵消相邻厂房系列电流的磁场/431
21.6.3改电解系列的平行厂房设计为矩形电解厂房设计/433
21.6.4采用异型阴极结构电解槽减少阴极铝液面波动/435
21.6.5采用坡面阴极减小阴极铝液内的水平电流/436
21.7槽电压和极距的选择/438
21.8提高阳极的密度和电导率/440
21.9选用较为优选的真空闪蒸沥青黏结剂/441
21.10提高电流效率/442
21.11减少热损失/443
21.12减少电解槽侧部热损失/444
21.13减少槽底散热/445
21.14减少槽底散热/445
21.15惰性阳极铝电解槽/447
21.16多室铝电解槽工业化的技术障碍/450
参考文献/452