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鋁電解

日期:2010年10月21日 13:42

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鋁電解鋁電解的原理是使直流電通過以氧化鋁為原料、冰晶石為溶劑組成的電解質,在950970下使電解質熔液中的氧化鋁分解為鋁和氧。由于比重的差別在陰極上析出的鋁液匯集于電解槽槽底,而在陽極上析出二氧化碳和一氧化碳氣體(見熔鹽電解)。鋁液從電解槽中吸出,經過凈化除去氫氣、非金屬和金屬雜質并澄清后,鑄成各種鋁錠,其流程示意見圖3

。
  鋁電解過程的電化學反應冰晶石-氧化鋁熔液具有離子結構,其中陽離子有Na+和少量Al3+,陰離子有AlF咶、AlF嬄和Al-O-F絡合離子以及少量O2-F-(熔鹽)。在溫度1000,鈉在析出電位大約比鋁負250毫伏。由于陰極上離子的放電不存在很大的過電壓,所以陰極反應是:

Al3+(絡合的)+3e─→Al

而陽極反應是:

6O2-(絡合的)+3C-12e─→3CO2

鋁電解過程的總反應式是:

2Al2O3+3C─→4Al+3CO2

由于溶解在電解質熔體中的AlCO2所氧化,引起電流效率降低,所以鋁電解的總反應式實際上應為:

 

式中N 為陽極氣體中的CO2/(CO+CO2)體積百分比。
  在冰晶石-氧化鋁溶液中,Al2O3的含量一般保持35%,為了改善電解質的性質,通常添加鋁、鎂、鈣和鋰的氟化物。
  工業鋁電解槽的發展工業鋁電解槽大致分為側插陽極棒自焙槽、上插陽極棒自焙槽和預焙陽極槽三種。預焙陽極電解槽又分邊部加料槽和中間加料槽兩種。19世紀末開始用小型預焙陽極電解槽生產,電流在8000安以下,直流電耗高達42000千瓦·/噸。1923年以后,這種槽型為側插陽極棒自焙槽所代替,到20世紀30年代末,電流強度最高達25000安,直流電耗為2000025000千瓦·/噸。側插陽極棒電解槽的特點是技術裝備簡單,投資較??;但缺點是煙氣處理比較困難,機械化程度較差,不易大型化等。
  為了提高電解槽的機械化操作水平,改進煙氣收集和凈化的方法,50年代法國開始使用上插陽極棒自焙槽;到60年代直流電耗達14500千瓦·/噸左右,并大大提高了勞動生產率。80年代的上插陽極棒自焙槽又得到了改進,噸鋁直流電耗降低到13800千瓦·時左右,并由于陽極工藝的改進,采用了干陽極糊(用高軟化點瀝青、低瀝青配比的陽極糊)大大減少了瀝青煙氣的散發,改善了環境?;さ奶跫?。上插陽極棒電解槽的優點是:機械化水平較高。缺點是不易大型化,煙氣處理也比較困難。
  現代化的大型電解鋁廠多數采用中間加料大型預焙槽(典型實例見圖4,其優點為單槽產能高,打殼加料可以自動化,適于用計算機控制,電解槽密閉程度高,集氣效率高(9095%)。


  中國50年代開始建立了鋁電解工業,對側插陽極棒自焙槽的建設和生產積累了豐富的經驗,噸鋁直流電耗達15000千瓦·時以下,80年代建成的160000安的中間加料大型預焙槽,直流電耗可達13800千瓦·時左右。
  鋁電解廢氣凈化鋁電解槽的陽極氣體中含有有害成分,例如氟化氫、冰晶石粉塵等,嚴重地污染環境,所以陽極氣體需要凈化。凈化方法有濕法和干法兩種。
  濕法凈化是用5%的蘇打溶液洗滌含氟氣體,生成碳酸氫鈉和氟化鈉:

Na2CO3+HF─→NaF+NaHCO3

蘇打溶液在洗滌塔內循環使用,直到其中NaF含量達到2530/升為止。然后,NaF+NaHCO3溶液送至冰晶石合成槽與鋁酸鈉溶液作用,合成冰晶石:

6NaF+4NaHCO3+NaAlO2─→

 

Na3AlF6+4Na2CO3+2H2

O冰晶石經干燥后,供電解用。
  干法凈化中用氧化鋁作吸附劑。受吸附的HFAl2O3發生化學反應,生成表面化合物AlF3

Al2O3+6HF─→2AlF3+3H2O


  所用的氧化鋁通常是砂狀氧化鋁。載氟的氧化鋁經布袋收塵器回收,再送往電解槽去電解。
  煉鋁能耗煉鋁能耗與所用原料和生產方法有關,堿石灰燒結法的能耗較高,拜耳法的能耗較低。從鋁土礦開采到鋁錠鑄造,每噸鋁一般消耗總電能約15600千瓦·時;此外,還消耗熱能14.8×106千卡,其分配見表4??梢鑰闖黿檔湍芎氖鍬涼ひ檔囊幌鈧匾翁?。



  鋁的精煉隨著鋁純度的提高,它的抗蝕性、可塑性、導電性、反光性等性能愈好。精鋁或高純鋁(Al99.99)供許多特殊部門使用。
  精鋁以原鋁為原料,用三層液電解法制取純度為99.99%的鋁。此法是美國人胡普斯W.Hoopes)發明,1922年開始工業化生產。槽內三層液體,各層密度不同:下層是67%原鋁加33%銅的合金(密度為3/厘米3),用作陽極,其中銅是加重劑;中層是17NaF、23AlF3、60BaCl2的電解質(密度為2.7/厘米3),其中BaCl2是加重劑;上層是電解產物精鋁(密度為2.3克/厘米3),用作陰極。電解溫度為720800。電解槽槽壁用絕緣材料(鎂磚)砌筑。
  精煉電解時,鋁從陽極合金中轉移到陰極上,而原鋁中的雜質元素都留在陽極合金中,使鋁得到精煉。此法中的陰極電流效率達到9799%。
  高純鋁以精鋁為原料,用區域熔煉法、有機溶液電解法或兩法兼用制得;含Al99.999%以上。精鋁區域熔煉在臥式管狀電爐中進行。鋁中雜質硅、鐵、銅、鎂等的分配系數都小于1,因而富集在液相內,經過1215次重復熔煉后,可得Al99.999%的高純鋁。
  有機溶液電解法可得到99.9995%的高純鋁。
  如以有機溶液電解與區域熔煉串聯,可制得超純度鋁(見超純金屬)。預先經過有機溶液電解的鋁,再經幾次區域熔煉,可在最純區段得到Al≥99.9995%的產品。
  其他煉鋁方法的研究世界各國都在研究新的煉鋁方法,主要目標為尋求一個大幅度降低能耗的途徑,但大多還處于試驗研究階段。
  氯化鋁電解法原理是把工業氧化鋁氯化成三氯化鋁,然后在多室電解槽內電解,得到純鋁和氯氣,氯氣返回利用。但三氯化鋁制備中的腐蝕和成本較高等問題還未得到解決。
  電熱法用低品位鋁礦作原料,用焦炭作還原劑,在電弧爐內還原得含Al60%以上的鋁硅粗合金,然后降低溫度至580左右,通過離心分離除去析出的固相,制得含Al80%左右的中間合金。用此法直接生產硅鋁合金,有一定經濟意義,但如何獲得較好的質量和較好的技術經濟指標,則仍然是一個技術課題。
  廢鋁再生鋁及其合金制品的再生日益得到重視。再生鋁又稱二次鋁,現在世界每年從廢鋁回收的鋁量約400萬噸,相當于原鋁產量的25%左右。由于鋁的熔點低,熱焓值小,廢鋁再熔所需的能量僅為從礦石制取原鋁的5%左右。此外,原料和投資費也較節省。廢鋁主要用來生產鋁合金。在再熔之前,要先將廢鋁選揀分類,再加以適當調配和處理,以便達到所需的合金組成。鋁的第一次煉制能耗較高,合理回收利用廢鋁,是節能的一個有力的措施(見再生有色金屬)。
  
 

所屬類別: 鋁業知識

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