全新正版现代铝电解--理论与技术(精)97871252491化学工业出版社

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．． 15kA较大型边部加工下料预焙阳极电解槽技术/ 7

1．2．4 135kA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

．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(AlO)/ 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

2．9AlO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/ 24

3．1．3 KF-AlF3 二元系/ 25

3．1．4 Na3AlF6-AlO 二元系/ 26

3．1．5 Na3AlF6-AlF3-AlO 三元系/ 27

3．1．6 Na3AlF6-AlF3-CaF2 三元系/ 27

3．1．7 Na3AlF6-AlO-MgF2 三元系/ 28

3．1．8 MgF2 对不同分子比冰晶石熔体初晶温度的影响/ 28

3．1．9 Na3AlF6-CaF2-AlF3-AlO 四元系/ 29

3．1．10 在分子比2．5、MgF2 与CaF2 为5%条件下，AlO 含量对初晶温度的影响/ 30

3．1．11 Na3AlF6-AlF3-CaF2-AlO-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

3．10．2 NaF-AlF3 二元系熔体的电导/ 50

3．10．3 冰晶石熔体中NaF的离解度与导离的迁移数/ 50

3．10．4 温度对电解质熔体电导率的影响/ 51

3．10．5 CaF2、MgF2、LiF、KF对电解质熔体导电能的影响/ 51

3．10．6 氧化铝对冰晶石熔体导电能的影响/ 54

3．10．7 含炭和溶解金属粒子的电解质熔体的导电能/ 54

3．10．8 工业电解槽电解质熔体的导电能/ 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

3．11．1 NaF-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表面质/ 61

3．13．1 电解质熔体对炭的湿润/ 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 阴极表面导离的传质/ 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．． 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槽电压的组成和质/ 81

5．2电解质中Al O 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E rev / 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E ΔH 0 / 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/ 1

8．1熔盐电解中的法拉第定律/ 1

8．2铝的电化学当量/ 1

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 铝的不完全放电引起电流空耗/ 125

8．4．3 离子放电所引起的电流效率损失/ 125

8．4．4 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

8．11．4 CO2 气体分析法测定电流效率的局限/ 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．． 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

9．3．3 Blaine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



0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．． 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能/ 202

10．4．2 几种阴极炭块的能比较/ 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糊的捣固能/ 208

10．6．1 糊的捣固其试验/ 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/ 2

10．11提高铝电解槽的阴极寿命/ 2

10．11．1 合理的电解槽设计/ 2

10．11．2 合理的电解温度/ 228

参考文献/ 229



1章电解槽的焙烧、启动与技术管理/ 0

11．1焙烧的目的/ 0

11．2焙烧方法的选择/ 0

11．2．1 铝液焙烧/ 0

11．2．2 炭粒焙烧/ 1

11．． 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/ 4

11．3铝电解槽焙烧质量的评价/ 5

11．3．1 升温速度/ 5

11．3．2 焙烧温度/ 5

11．3．3 阴极底块中的温度梯度/ 5

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/ 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电解槽设参、工艺技术参数和主要技术经济指标/ 249

参考文献/ 251



2章铝电解槽电流的强化/ 252

12．1电流强化的可能/ 252

12．2我国自焙槽强化电流的历史回顾/ 253

1．铝电解槽电流强化的几个技术问题/ 254

1．．1 电流强化后的电流效率问题/ 255

1．．2 阳极和阴极电压降问题/ 255

1．． 电解质电压降问题/ 255

1．．4 电流强化后的热平衡问题/ 256

1．．5 进一步提高阳极质量的问题/ 257

参考文献/ 258



3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铝电解对氧化铝质的要求/ 259

13．3氧化铝的质/ 260

13．4电解槽上部结壳的质/ 263

13．5泥状沉降物的质/ 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

13．6．2 CaF2 添加剂对α-AlO 溶解热的影响/ 265

13．6．3 LiF添加剂对α-AlO 溶解热的影响/ 266

13．6．4 添加AlF3 对α-AlO 溶解热焓的影响/ 266

13．6．5 有铝存在时α-AlO 的溶解热焓/ 266

13．6．6 γ-Al

冯乃祥，东北大学教授、博导，主要从事轻金属冶金教学与科研工作。在国内外学领域发表涉及铝镁轻金属冶金理论与技术研究成果的学术近300篇，授权发明专利10余项，著作2部。获教委科技进步奖二等奖1项，自然科学奖三等奖1项，省部级奖励6项，美国TMS奖励1项，获中国有色金属新法炼镁技术鉴定成果2项。近几年，承担自然科学的面上项目2项、重点项目1项，“863”计划项目1项、重点项目1项，支撑计划项目1项，企业合作项目10余项。

著者所发明的新型阴极结构电解槽和新阳极技术，了当代铝电解阴极和阳极技术的一次重大，使得铝电解生产直流电耗从过去的13000～13300kWh/吨铝降低到了100kWh/吨铝左右，吨铝节能减排效果显著：氟化物减排2吨多，二氧化碳减排580多吨，二氧化硫减排0.吨。在此基础上建立起了新型阴极结构电解槽热场、电场、磁场、流场和波动的基础理论。与此同时，结合我国电解铝厂电解槽电解质高锂含量的实际，系统地研究了KF和LiF对电解质物理化学质和电极过程的影响，填补了了电解质和电解过程基础理论的空白。新型阴极结构电解槽整体技术达到****水平。著者获得2010年中国有色金属工业协会科学技术奖一等奖，2010年度美国TMS科学奖（是我国获此奖项的 人），目前该技术已经在全国80%以上的电解铝厂得到应用，国内新建的电解铝厂均采用该技术。在国际上，挪威Elkem碳素公司已经对该技术进行国际代理，目前Hydro德国铝业公司已经采用该技术进行工业应用。

本书作者冯乃祥教授为铝电解领域的 专家，为我国的铝电解工业做出巨大贡献，他结合我国电解铝厂电解槽电解质高锂含量的实际，系统地研究了KF和LiF对电解质物理化学质和电极过程的影响，填补了了电解质和电解过程基础理论的空白。他的研究成果——新型阴极结构电解槽整体技术达到水平，曾获得2010年中国有色金属工业协会科学技术奖一等奖，2010年度美国TMS科学奖（是我国获此奖项的 人），目前该技术已经在全国80%以上的电解铝厂得到应用，国内新建的电解铝厂均采用该技术。本书系统地介绍了铝电解的理论与技术，并融入了著者近十年的研究成果，重点介绍了节固体废料回收的理论与技术，是一本 的、与时俱进的、不可多得的 著作。

《现代铝电解——理论与技术》主要介绍了现代铝电解基础理论与技术，内容涉及电解质结构与物理化学质、电极过程与阳极效应、槽电压与电流效率、炭阳极与炭阴极、电解槽焙烧启动与控制、电解槽物理场、烟气治理、固废资源化、深度节能理论与技术等诸方面。本书既反映了国内外**研究成果，也融入了作者五十余年从事铝电解研究与实践工作的丰富经验，具有很强的理论指导与实践操作。
《现代铝电解——理论与技术》可供高等院校冶金相关专业的老师和学生、电解铝厂的工程技术人员以及从事铝电解基础理论和技术研究的工作人员阅读和参考。

本书作者冯乃祥教授为铝电解领域的 专家，为我国的铝电解工业做出巨大贡献，他结合我国电解铝厂电解槽电解质高锂含量的实际，系统地研究了KF和LiF对电解质物理化学质和电极过程的影响，填补了了电解质和电解过程基础理论的空白。他的研究成果——新型阴极结构电解槽整体技术达到国际水平，曾获得2010年中国有色金属工业协会科学技术奖，2010年度美国TMS科学奖（是我国获此奖项的 人），目前该技术已经在全国80%以上的电解铝厂得到应用，国内新建的电解铝厂均采用该技术。本书系统地介绍了铝电解的理论与技术，并融入了著者近十年的研究成果，重点介绍了节固体废料回收的理论与技术，是一本 的、与时俱进的、不可多得的 著作。