金属铝的生产方法新进展
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摘
要：现代金属铝的生产工艺主要是冰晶石—氧化铝熔盐电解法工艺。氧化铝的生产方法有多种，工业上用的主要是拜耳法生产氧化铝，也有用拜耳烧结联合法等工艺处理低品位铝土矿。电解过程是在电解槽中进行。直流电通入电解槽，槽内阴阳两极发生电化学反应，阴极生成金属铝液，阳极生成CO和CO2气体。铝液定期用真空抬包吸出，经过净化澄清后，浇注成商品铝锭。阳极气体经净化后，废气排空，回收的氟化物返回电解槽。 关键词：拜耳法；铝电解；氧化铝；反应
1 绪论 1.1引言
1854年，法国化学家德维尔把铝矾土、木炭、食盐混合，通入氯气后加热得到NaCl·AlCl3复盐，再将此复盐与过量的钠熔融，得到了金属铝。直到1886年，美国的豪尔和法国的海朗特，分别独立地电解熔融的铝矾土和冰晶石的混合物制得了金属铝，奠定了今天大规模生产铝的基础。
1.2铝元素
铝位于元素周期表中第三周期第IIIA族，相对密度2.70。熔点660℃。沸点2327℃。铝在地壳中分布很广，铝的活泼性强，不易被还原，在干燥空气中铝的表面立即形成厚约50埃的致密氧化膜，使铝不会进一步氧化并能耐水；但铝的粉末与空气混合则极易燃烧；熔融的铝能与水猛烈反应；高温下能将许多金属氧化物还原为相应的金属；铝是两性的，即易溶于强碱，也能溶于稀酸。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铝的生产和应用。 应用极为广泛。
1.3铝的性质
铝具有很大的强度质量比,铝的强度随温度降低而增大。铝具有良好的防腐蚀性能。在空气中，铝表面生成一层厚度约2×10-5cm，光滑的硬氧化铝薄膜，紧紧粘附在铝表面。铝是优良的导电材料，具有良好的导热性能。铝的另一个重要特性是能够和多种金属构成有用的合金。
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2 2铝土矿
铝土矿是含铝矿物和赤铁矿、针铁矿、高岭石、锐铁矿、金红石、钛铁矿等矿物的混合矿，一般是指工业上能利用的，以三水铝石、一水软铝石或一水硬铝石为主要矿物所组成的矿石的统称。铝土矿是生产金属铝的最佳原料。我国铝土矿资源比较丰富，分布甚广，并根据本国的铝矿资源特点，发展出多种氧化铝生产方法。50年代初就已用碱石灰烧结法处理铝硅比只有3.5的纯一水硬铝石型铝土矿,开创了具有特色的氧化铝生产体系。用中国的烧结法,可使Al2O3的总回收率达到90%；每吨氧化铝的碱耗(Na2CO3)约 90公斤；氧化铝的SiO2含量下降到0.02～0.04％；而且在50年代已经从流程中综合回收金属镓和利用赤泥生产水泥。60年代初建成了拜耳烧结混联法氧化铝厂，使Al2O3总回收率达到91％，每吨氧化铝的碱耗下降到60公斤，为高效率地处理较高品位的一水硬铝石型铝土矿开创了一条新路。中国在用单纯拜耳法处理高品位一水硬铝石型铝土矿方面也积累了不少经验。
2.1铝土矿处理方法
从铝矿提取铝有两个方案，第一个方案是选用高品位铝土矿，先用化学方法从矿石中提取纯净的氧化铝，然后用电解法从氧化铝中提取纯净的铝。第二个方案是选用低品位的铝土矿，经过物理选矿，分离掉一部分硅酸盐矿物后，送入溶出流程中去，提取氧化铝；或者用化学法分离掉一部分氧化铁和氧化钛后，在电解槽或电弧炉内还原出铝-硅-铁-钛合金。
2.2我国铝土矿特点
（1）储量集中于煤或水电丰富的地区，有利于开发利用。山西、贵州、河南和广西壮族自治区储量合计占全国储量的85.5%，加上其煤炭和水利资源，为其提供了发展铝工业的有利条件。
（2）矿床类型以沉积型为主，坑采储量比重较大。
（3）一水硬铝石型矿石占绝对优势。其特点是高铝、高硅和低铁，铝硅比偏低，一般在4~7之间，铝硅比在10以上的相对少些。在福建、河南和广西有少量的三水铝石型铝土矿。
3氧化铝的生产
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3 氧化铝，又称三氧化二铝，分子量101.96，通常称为“铝氧”，是一种白色无定形粉状物，俗称矾土。生产氧化铝的方法有酸法、碱法、酸碱联合法、热法。
3.1碱法生产氧化铝
碱法生产氧化铝，就是用碱(NaOH或Na2CO3)处理铝土矿，使矿石中的氧化铝水合物和碱反应生成铝酸钠溶液。铝土矿中的铁、钛等杂质和绝大部分的二氧化硅则成为不溶性的化合物进入固体残渣中。这种残渣被称为赤泥。铝酸钠溶液与赤泥分离后，经净化处理，分解析出A1(OH)3，将A1(OH)3与碱液分离并经过洗涤和焙烧后，即获得产品氧化铝。
碱法生产氧化铝一般有拜耳法、烧结法和拜耳烧结联合法。
3.1.1拜耳法
拜耳法生产氧化铝的基本原理是：
（l）用NaOH溶液溶出铝土矿，所得到的铝酸钠溶液在添加晶种、不断搅拌的条件下，溶液中的氧化铝呈氢氧化铝析出，即种分过程。
（2）分解得到的母液，经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的铝土矿，即溶出过程。
交替使用这两个过程，就能够每处理一批矿石便得到一批氢氧化铝，构成所谓的拜耳法循环。
用反应方程式表示如下：
Al2O（2NaOH＋aq 31或3）H2O＋2NaAlOH4＋aq
拜耳法生产氧化铝一般有原矿浆制备→高压溶出→赤泥分离、洗涤→晶种分解→氢氧化铝分离、洗涤→氢氧化铝焙烧等工序。
3.1.2烧结法
烧结法生产氧化铝的基本原理是将铝土矿与一定量的纯碱、石灰（或石灰石）配成炉料在高温下进行烧结，使氧化硅与石灰化合成不溶于水的原硅酸钙2CaO·SiO2，氧化铝与纯碱化合成可溶于水的固体铝酸钠Na2O·Al2O3，而氧化铁与纯碱化合成可以水解的铁酸钠Na2O·Fe2O3，将烧结产物（熟料）用稀碱溶液溶出时Na2O·Al2O3便进入溶液，Na2O·Fe2O3水解放出碱，氧化铁以水合物
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4 与原硅酸钙一道进入赤泥。再用二氧化碳分解铝酸钠溶液便可以析出氢氧化铝。经过焙烧后产出氧化铝。分离氢氧化铝后的母液成为碳分母液（主要成分为Na2CO3），经蒸发后返回配料。
烧结法生产氧化铝工序一般为：生料浆的制备→熟料烧结→熟料溶出→铝酸钠溶液脱硅→碳酸钠分解→氢氧化铝分离、洗涤→氢氧化铝焙烧→碳分母液蒸发。
3.1.3拜耳烧结联合法
拜耳烧结联合法可充分发挥两法优点，取长补短，利用铝硅比较低的铝土矿，求得更好的经济效果。联合法有多种形式，均以拜耳法为主，而辅以烧结法。按联合法的目的和流程连接方式不同，又可分为串联法、并联法和混联法三种工艺流程。
（1） 串联法是用烧结法回收拜耳法赤泥中的Na2O和Al2O3于处理拜耳法不能经济利用的三水铝石型铝土矿。扩大了原料资源，减少碱耗，用较廉价的纯碱代替烧碱，而且Al2O3的回收率也较高。
（2）并联法是拜耳法与烧结法平行作业，分别处理铝土矿，但烧结法只占总生产能力的10～15％，用烧结法流程转化产生的NaOH补充拜耳法流程中NaOH的消耗。
（3）混联法是前两种联合法的综合。此法中的烧结法除了处理拜耳法赤泥外，还处理一部分低品位矿石。
3.2酸法生产氧化铝
酸法生产氧化铝是用无机酸溶出黏土中氧化铝的生产方法。用各种无机酸溶出处理黏土时，原料中氧化硅基本不与酸反应，而得到含铁的铝盐酸性水溶液。经过除铁净化后，可通过不同的方法得到铝盐水合物结晶或氢氧化铝结晶，进一步煅烧可得到氧化铝。
3.2.1硫酸法
硫酸法生产氧化铝，用m（SO3）: m（Al2O3）=2.6的含铁的硫酸铝溶液，在403K的温度下溶出过量的焙烧过的高硅铝土矿，得到m（SO2）: m（Al2O3）=1.8~1.9的硫酸铝溶液和吸附了铁的残渣。分离残渣后往硫酸铝溶液中通入SO2，
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5 将三价铁还原成二价铁，再在573K的温度下，使硫酸铝水解析出碱式硫酸铝。在1423K的温度下煅烧碱式硫酸铝得到成品氧化铝和含SO3较高的气体。气体用水解母液吸收后在453K温度下将上述吸附了铁的残渣中的氧化铝充分溶出后，得到m（SO3）: m（Al2O3）=2.6的硫酸铝溶液，再用于溶出下一批矿石。
3.2.2盐酸法
盐酸法生产氧化铝是用浓硫酸处理含铝原料得到硫酸铝溶液，进而冷却结晶析出杂质含量高的硫酸铝，然后用盐酸溶解硫酸铝，同时通入HCl气体使溶液饱和，使溶液中以很纯的AlCl3·6H2O析出。经过洗涤后，在1373~1473K的温度下煅烧获得纯度比拜耳法还高的氧化铝成品和可再生盐酸的含HCl气体。
4铝电解
现代铝工业生产，采用冰晶石—氧化铝熔盐电解法。氧化铝作溶质，冰晶石作溶剂，氧化铝溶解在冰晶石中形成电解质，以炭素材料作电极，通入电流，在电解槽内的两极上进行电化学反应，即电解过程。
氧化铝是铝电解生产中的主原料，铝电解对于氧化铝的要求，一是它的化学纯度，再就是其物理性能。冰晶石的分子式为Na3AlF3，它是溶剂的主要成分。 铝电解生产中所用的冰晶石分天然和人造两种。天然冰晶石的储量很少，远远不能满足铝工业的需要，所以现代铝工业采用人造冰晶石。在铝电解生产中，氟化铝是冰晶石—氧化铝熔体的一种添加剂。它的作用是可以弥补电解质中氟化铝的损失，又可以调整电解质的分子比，主要用于降低熔体的分子比，降低电解温度。以保证生产技术条件的稳定。其次还需要添加氟化钙、氟化镁、氟化钠和碳酸钠等用来调整和改善电解质性质的添加剂。
4.1电解质
在铝电解生产中，连接阳极和阴极之间不可缺少的熔盐体叫电解质，它主要是以冰晶石为熔剂，氧化铝为熔质而组成。但在现代铝工业生产中使用的电解质并非单纯的冰晶石和氧化铝。因为冰晶石和氧化铝含有一定数量的杂质成分，如：氧化钠、氧化铁、氧化硒和氧化钙等。另外，在电解生产中，为了改善电解质的物理化学性能，有利于提高电解生产指标，还向电解质中加入某些添加剂，如，氟化铝、氟化镁、氟化锂、氯化钠等。
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6 熔融的冰晶石能够较好的熔解氧化铝，而且所构成的电解质可在冰晶石的熔点1008℃以下进行电解，从而也降低了氧化铝的还原温度。在电解温度下，熔体状态的冰晶石或冰晶石-氧化铝熔液的比重比铝液的比重还小约10%，它能更好地漂在电解出来的铝液上面。冰晶石—氧化铝熔体具有较好的流动性和良好的导电性。
4.2铝电解槽
铝电解槽是炼铝的主体设备。电解槽槽型有两种： （1）自焙阳极电解槽：上插式、侧插式； （2）预焙阳极电解槽：不连续、连续式。 自焙槽和预焙槽比较：
（1）在电解过程中，阳极大约以0.8~1.0 mm/h速度连续消耗，自焙槽可连续使用，而预焙槽不能连续使用，须定期更换；
（2）自焙槽散发氟化物，沥青烟气，而预焙槽不散发烟气，污染环境； （3）预焙槽具有槽型大型化、操作机械化和自动化、电流效率高、电耗率低、烟害小的优点。
4.3铝电解的两极反应：
铝工业上均采用炭素材料作电极——炭阳极和炭阴极。 电解对阳极的要求：
(1)导电率高，以降低阳极电阻；
(2)导热率低以降低糟的热损失，降低阳极上部的氧化速度和防止电解质界面凝固；
(3)热稳定性和化学稳定性良好，使阳极能够在高温和腐蚀性的环境下工作； (4)杂质含量低，防止对金属铝的污染； (5)适宜的机械性能，以便经受粗糙的搬运； (6)合适的密度和空隙率，减少金属铝的侵入； (7)气体渗透率低，减少阳极内部氧化； (8)应有适宜的抗热震性。
在电解过程中，炭阴极原则上是不消耗的，炭阳极由于直接参与电化学反应而消耗。 阳极的作用主要有：导电和参加电解时的化学反应和电化学反应。
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7 在电解过程中，阳极是消耗的，其理论消耗是334kg/t·Al，而实际消耗一般为380~450kg/t·Al，这与阳极质量、电解技术条件有关。降低阳极消耗可以提高铝厂的电流效率、降低电耗和增加铝产量，从而提高经济效益。
阴极反应：
Al3(配离子)3eAl
阳极反应：
2O2(配离子)C－4eCO2
总反应：
2Al2O33C4Al3CO2
4.4铝电解的生产过程
铝电解槽全部生产过程包括三个阶段：焙烧期、启动和启动后期、正常生产期。
（1）铝电解槽的焙烧期
焙烧期在于焙烧自焙阳极（对预焙槽则是加热阳极）以及加热阴极，达到900~1000℃，以便下一步启动。自焙阳极新槽采用焦粒焙烧法，预焙阳极槽采用铝液焙烧法。
（2）铝电解槽的启动期
启动期在电解槽内熔化电解质，开始铝电解。分干式和常规启动两种。 干式适用于启动新系列中的头几台槽，当时厂房内无现成的熔融电解质和铝液，只好在新槽内熔化所需的电解质和铝；常规启动适用已有电解槽生产，在开始时从正在进行铝电解槽内取出电解液和铝液倒入新启动的槽内，以加速启动过程。
（3）铝电解槽的正常生产期
电解槽经过焙烧和启动之后便进入正常生产期，直到停槽为止，正常生产期通常延续5~7年。
4.5铝电解用惰性电极 4.5.1惰性阳极
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8 采用惰性阳极取代炭阳极,在冰晶石熔液中的溶解度小，在高温下具有良好的导电性，为电解铝工业带来巨大的环境效益和经济效益。迄今为止,大多数惰性阳极材料的研究主要集中在金属或合金、金属氧化物陶瓷以及金属陶瓷方面。
金属(合金) 具有良好的导电性、强度和抗热震性等优点,是较理想的铝电解阳极材料。但除某些贵金属外,金属阳极在铝电解槽的生产环境中不能充分抵御冰晶石熔体腐蚀和阳极产生的高温氧气的氧化。
氧化物陶瓷材料由于其显著的化学惰性而倍受关注。但几乎所有的氧化物在冰晶石熔体中都会有不同程度的溶解,其中SnO2 基氧化物、尖晶石类和CeO2涂层溶解速度缓慢被作为阳极材料的首选。
金属陶瓷集中了陶瓷材料(低的腐蚀速率和抗氧化性) 和金属材料(良好的导电性和较高的抗热冲击强度) 的优点, 其氧化物基体形成抗腐蚀网络,网络中的金属相增强了材料的导电性,被看作是最有前途的惰性阳极的材料。
4.5.2惰性阴极
采用惰性阴极材料时，铝离子可以直接在惰性阴极上放电生成铝。槽内积存的铝液不再用阴极，所以铝液涌动所致的波峰减弱，两极间距可以明显减弱，从而节省电能。铝液还能良好地湿润惰性阴极，使槽内氧化铝沉淀物不能停留在阴极表面上；铝液从阴极上淌下来汇集在槽内凹沟中减轻了槽生产操作中磁流体搅动的各种干扰，提高电能效率。
4.6铝电解过程的两极副反应 4.6.1阴极副反应
（1）铝的溶解和损失：
金属铝部分地溶解在冰晶石熔体中。一般认为，阴极铝液在电解质里的溶解有以下几种情况：
①溶解在熔融冰晶石中的铝，生成低价铝离子和双原子的钠离子。
2AlAl33Al Al6NaAl33Na
②在碱性电解质中，铝与氟化钠发生置换反应。
Al3NaFAlF33Na
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9 ③铝以电化学反应形式直接溶解进入电解质熔体中
Al(液)eAl
此外，铝也可能以不带电荷状态溶解在电解质中，构成金属雾。 (2) 金属钠的析出
电解过程中阴极的主反应是析出铝而不是钠，因为钠的析出电位比铝低。但是，随着温度升高，电解质分子比增大，氧化铝浓度减少，以及阴极电流密度提高，钠与铝的析出电位差越来越小，而有可能使钠离子与铝离子在阴极上一起放电，析出金属钠：
Na＋e＝Na
此外，在碱性电解质中，溶解的铝也可能发生下列反应而置换出钠：
Al＋6NaFNa3AlF6＋3Na
析出的钠少部分溶解在铝中，剩下的一部分被阴极炭素内衬吸收，一部分以蒸汽状态挥发出来（钠的沸点为880℃），在电解质表面被空气或阳极气体所氧化，产生黄色火焰。可能的反应为：
4Na＋O2＝2Na2O 2Na＋CO2＝Na2O＋CO 2Na＋CO＝Na2O＋C
4.6.2阳极副反应
冰晶石—氧化铝熔盐电解在电解过程发生主反应的同时，伴随着一系列副反应，主要发生如下反应：
2Al（溶解的）＋3CO2Al2O3十3CO
此外，由于碳阳极散落掉渣，分离后飘浮在电解质表面，当二氧化碳气体与这些碳渣接触时，会发生还原反应而生成一氧化碳。
C＋CO2＝2CO
4.6.3阳极效应
阳极效应是铝电解过程中发生在阳极上的一种特殊现象。当其发生时，阳极
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10 上出现许多细小的电弧，发出轻微的噼啪声，此时槽电压已从正常值（如4.2V)升高到数十伏。阳极效应也在其它种类的熔盐电解中发生，例如钙电解，但在铝电解中最普遍。阳极效应对铝电解生产有利也有弊。
阳极效应发生时可以利用效应来检查电解槽的生产状态是否正常；冷槽时可用效应提供热量调整热平衡；偶尔发生阳极效应对清理电解质中的碳粒和阳极底掌是有益的。但是阳极效应的发生会增加电能消耗和各种原材料的损失，影响槽内铝质量；影响系列的供电稳定，尤其在供电容量额定的情况下，效应过于频繁易造成供电和生产之间的恶性循环，这样既影响供电又影响生产的正常进行；增加劳动量，恶化场所，打乱作业计划。
阳极效应对铝电解生产利少弊多，所以，一般把效应系数控制在较低范围内。
4.7铝电解的电流效率
铝电解的电流效率通常是指阴极上实际产出的铝量对于理论上按照法拉第定律计算的铝量的百分数。它是铝电解的一个重要的基本生产指标，涉及到铝电解槽的产量与能耗，而这两者对铝生产的成本有直接影响。
现代大型预焙阳极电解槽的电流损失，造成电流效率降低，主要原因是： （1）二次反应，即电解出来的铝又溶解或机械混入到电解质中，并被循环着的电解质带到阳极空间或电解质表面，为阳极气体中的CO2或空气中的氧所氧化。这是电流效率降低的基本原因。这一现象在压铝，两水平波动较大，电解质温度过高或低时最明显。
（2）其它离子的放电。这里主要是钠离子放电生成钠原子，由于钠原子在电解质中溶解度很小，加之本身沸点很低，大部分将以气体状态蒸发或渗入槽底。这一现象在分子比较高时容易发生。
（3）电流空耗，包括Al3+不完全放电，以及电解质时的V5+、P5+、Ti4+等高价离子不完全放电生成相应的低价离子被电解质转移到阳级空间后，又再氧化成高价离子，即：
Al3 2e Al
（阴极上） Al 2e Al3
（阳极上）
如此循环，造成电流空耗。这种现象在阴极表面的电子密度（即电流密度）
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11 较小时，如炉温过高、化炉膛时，或整流所突然限电时比较明显。
（4）漏电，通常是炉帮结壳熔化，并且电解质面上有大量炭渣时发生，即电流有可能连接槽壳与格子板之间，及铁渣箱体与槽壳接触等均可造成漏电损失。
电流效率的影响因素有：电解质温度、极距、电解质成分、电流密度、铝液高度。既然电流效率降低的主要原因是熔解铝的再氧化（二次反应）损失，那么提高电流效率的措施可以从控制铝损失过程中探索，具体措施有：
（1）在适当低的过热温度下进行电解；
电解质温度正常与否，对电解槽电流效率等工作指标有着决定性的影响，根据我厂实践中的多次测量表明，电解质温度每升高10℃，电流效率大约降低1~2%。电解质温度过低会使电解质发粘，致使铝珠与电解质分离困难，反而易于铝的损失，使电流效率降低。
（2）建立和保持理想的槽膛内型；
极距增大，电解质搅拌强度将减弱，因为相同的阳极气体量所搅拌的两极间的液体量增加，搅拌减弱，则使扩散层厚度增加，使用使铝损失减少，电流效率提高。但极距超过某一限度，电流效率变化不大，因此，力求使极距保持在实际所能允许的最小值，否则随着极距增加，不但不能提高电流效率，反而使槽电压徒然升高，加大电耗、最终还是不利于降低产品成本。
（3）电解质成分；
当CR（NaF/AlF3之重量比）小于1.5，有过剩AlF3时，电流效率开始提高，这是由于此时铝液与电解质之间界面张力增大，有利于分散于电解质中的铝珠汇集，且铝的溶解度减小的缘故。同时在酚性电解质中，Na+的放电及铝自电解质中取代钠的反应减弱；但电解质过酸，又使生成低价氟化铝反应增强，增加铝的损失。因此，铝电解生产一般采用弱酸性电解质，其分子比（CR）在1.25~1.35之间。
（4）Al2O3浓度；
在冰晶石—Al2O3熔体中，在5%（重量）Al2O3时，电流效率最低，大于或小于此电流效率均能升高，大型预焙槽生产，采用Al2O3浓度：2.5~3.0%较适宜。
（5）电流密度；
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12 为了取得较高电流效率，阴极电流密度不能过高，也不能过低，因为阴极电流密度过低时，由于单位阴极面积上的电子密度过小，Al3+产生不完全放电；阴极电流密度过高时，则发生Na+大量放电，两者都会造成电流无谓的消耗，从而降低了电流密度。因而阴极电流密度有一个对应最高电流密度的临界值—临界阴极电流密度。
阳极电流密度增大，阳极气体的析出量增加，对电解质液搅拌加强，使溶解金属的扩散系数增大，二次反应加快，电流效率将降低；阳极电流密度减小时，阳极气体的析出排出的速度减弱，搅拌减小时，电流效率提高，但阳极电流密度保持过小，则系列电流强度也将变小，不利于强化生产，最终电流效率也无法保证。
（6）尽可能使槽内铝液保持平静并处于一定水平；
槽内铝液水平较高时，则可较快地使这部分多余的热量疏导出去，从而减少阳极下部和侧部温度差，避免二次反应，从而提高电流效率。但铝液水平过高不仅使炉膛炉温偏低，阴极电流密度增大，降低电流效率，而且传热量加大、热损失过大、也使电耗增加。
（7）选用低熔点的电解质组成，使用惰性的可湿润阴极，如二氧化硼涂层阴极。
4.8铝电解的电能效率
所谓电能效率是指在电解槽生产一定量铝时，理论上应耗电能（W理）与实际消耗电能（W实）之比。以百分数表示：
电能（%）=W理100% W实理论电耗是指为了使电解过程能连续而稳定地进行，理论上应付出的最低电能。铝电解槽的槽工作电压主要由以下几部分组成：氧化铝的实际分解电压、阳极电压降、阴极电压降、电解质电压降、母线电压降和阳极效应分摊电压降。
4.8.1铝电解的节能措施
铝电解的节能根本途径是降低槽平均电压和提高电流效率。提高电流效率的措施前文已提及，下面主要是降低槽平均电压的措施：
铝电解槽的槽工作电压主要由以下几部分组成：氧化铝的实际分解电压、阳
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13 极电压降、阴极电压降、电解质电压降、母线电压降和阳极效应分摊电压降。
（1）减小电解质电压降。
电解质的电压降与其电阻率、阳极浸入电解质的表面积、铝液镜面面积、极间距离等因素有关。其中最主要的是电阻率和极间距离。
① 电解质的电阻率
在工业电解槽内经常有碳渣，主要是从阳极上掉下来的，炭渣越细夹杂在电解质里的数目越多，电解质导电率所受的影响越大。所以，采用弱酸性电解质并添加能够减小电解质对于炭粒湿润性的物质如CaF2和MgF2，使炭渣漂浮起来。
可以在预焙槽上用氧化铝或电解质颗粒覆盖在阳极上保护阳极，而在自焙槽上放置淌糊。在电解质里还有悬浮的固体氧化铝也会增大电解质的电阻率，所以应严格控制其数量。另外，添加锂盐或NaCl也能够提高电解质的导电率。
② 适当缩短极距
据工业电解槽测定，每1cm极距所对应的电解质电压降，侧插棒槽为400~450mV，预焙槽为300~330mV。因此，改进槽体结构材料，极距可大幅降低，进而可节省电能。
（2）减小极化电压
极化电压包括理论可逆分解电压、阳极过电压和阴极过电压等部分。可以增大阳极截面积以减小其电流密度，或者添加锂盐，增大阳极活性，在电解质内添加碱土金属卤化物，或添加AlF
3、增大Al2O3浓度都有助于减小阳极过电压。
（3）在现有的电解槽上加大导电母线的截面积
导线电压降取决于其电阻率、电流密度和长度。可以加大导线的截面积，减小电流密度，进而使其电压降减小。
（4）改善导体接触点
在电解槽中，金属导体之间的接触点很多，所以消耗电能很大，需要改善。压接点应定期清刷，焊接点亦应保持平整，可使电压降减小。
（5）减小阳极电压降
可以扩大现有阳极的截面积，即充分利用槽壳增大阳极在槽膛内的填充率。这样在不增加铝损失的情况下降低槽电压。
（6）减小阴极电压降
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14 阴极电压降是指从铝液至阴极棒头这段导体中的电压降。改善阴极棒的电流分配状况可以减小阴极电压降。
（7）减小阳极效应
发生阳极效应所升高的平均电压为：
V效应=k(V效应V工作)效应1440
减少阳极效应次数并缩短效应时间，可以节能省电。在生产上采取勤加工少下料的操作方法 以减少阳极效应的发生。
（8）电介质温度
随着电解质温度降低，会发生
① 靠近阴极的电解质中溶解铝的浓度降低；
② 黏度增大，阴极气体体积减小，从而使扩散层厚度增加； ③ 扩散系数减小。
这些使溶解铝扩散速度减小，使铝损失降低，提高电流效率。
5铝的精炼 5.1铝的纯度分类
(1) 原铝。通常是指用熔盐电解法在工业电解槽内制取的铝，其纯度一般为99.5%~99.85%。
（2）精铝。一般来自三层液精炼电解槽。在精炼槽内，原铝和铜配成的合金作为阳极，冰晶石-钡盐熔液作为电解质，析出在阴极上的精铝，其纯度通常在99.99~99.999%。
（3）高纯铝。主要用区域熔炼法制取。选用精铝作原料，得到杂质质量分数不超过1×10-6的高纯铝。高纯铝还可用有机铝化合物物电解与区域熔炼相结合的方法制取。
5.2铝液净化
往铝液中通入惰性气体(如氮气)或活性气体(氯气)，可使铝液中的固态夹杂物吸附在气泡上，并随气泡上升至铝液表面,最后在过滤层中分离。
净化方法：在低温（刚刚熔点以上）长时间静止或通入氮气加以搅拌，清
金属铝的生产方法新进展
15 除氢。通入氯气，与铝反应生成氯化铝气泡。比氮气效果好。
5.3铝的精炼方法 5.3.1铝的电解精炼原理
电解精炼的最终结果是从阳极合金中溶解出来，并在阴极上沉积，得到纯度为99.99%的精铝。在阳极合金的各种金属元素当中，只有铝在阴极上溶解出来。阳极合金中，如铜、铁、硅之类比不活泼的金属元素，并不溶解，仍然残留在合金内。阳极上的电化学溶解反应是：
Al3eAl3
因此，电解液中除了原有的Al3+、Ba2+、Na+、F-、Cl-、AlF3-
6、AlF4-之外，增加了上述反应中的铝离子Al3+。
迁往阴极的各种阳离子中，铝的电极电位比较正，故Al3+优先在阳极上获得电子，析出金属铝：
Al33eAl
而其余的各种阳离子，如Ba2+， Na+之类，并不放电。但是电解质本身所含的电位比铝更正的元素，例如Si和Fe，却会在阴极上析出，使铝的纯度降低。
5.3.2铝的偏析法精炼原理
一般当原铝从熔融状态下徐缓冷却，到达其初晶点时，结晶析出纯度很高的铝粒，然后将此种铝粒跟剩余的铝液分离，便得到所要求的偏析法产物，可从99.8%的原铝中提取到纯度为99.95%的铝，其提取率为5~10%。
偏析法精炼铝具有产量大、能耗低、成本低的优点，但是这种方法生产的精铝纯度较低。
5.3.3 区域熔炼法制取高纯铝
在铝的凝固过程中，杂质在固相中的溶解度小于在熔融金属中的溶解度，因此，当金属凝固时，大部分杂质将汇聚在熔区内。如果逐渐移动熔区，则杂质会跟着转移,最后富集在试样的尾部。这种方法的分离效果取决于元素的分配系数。
分配系数是指杂质元素在固相中和在液相中的质量分配比率。分配系数小于1的杂质元素在区域熔炼中富集在试样的尾部；分配系数大于1的杂质元素在区
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16 域熔炼中富集在试样的头部；分配系数等于1的杂质元素在区域熔炼中难以分离。
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17 参考文献
[1] 邱竹贤.铝电解[M].北京：冶金工业出版社，1995.[2] 邱竹贤.冶金学下卷[M].沈阳：东北大学出版社，2001.
[3] 通斯塔等著，邱竹贤等译.铝电解理论与新技术[M].北京：冶金工业出版社，2010.[4] Shuren Guan.Measures for saving energy in alumina Produetion [C].Light Metals，1990.[5] 刘业翔，李劫等.现代铝电解[M].北京：冶金工业出版社，2008.[6] 邱竹贤.铝电解原理与应用[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998.[7] 杨重愚.轻金属冶金学[M].北京：冶金工业出版社，1991.[8] Abel T Engh，G.K.Sigworth.Molten Aluminium Purification [C].Light Metals，1982.[9] Grjotheim K，et al.Low-melting baths in aluminum electrolysis[C]//Light Metals 1986.Warrendale：Minerals，Metals & Materials Soc，1986.
[10] 邱竹贤.工业铝电解质分子比的演变与现状[J].中国有色金属学报，1996.
[11] De Nora V.Veronica and Tinor 2000 new technologies for aluminum production.
Electrochemical Society Interface，2002.
[12] Hall C M.Proce of electrolyzing fused salts of aluminum.US Patent 400，667.Fild September 21，1888.Patented April 2.1889.
[13] 李庆峰，邱竹贤，张中林.熔盐电解中的阳极电流效率[J].中国有色金属学报，1994.[14] Augustin C O，Srinivasan L K，S.Inert anodes for environmentally clean production of aluminium.Bull Electrochem，1993.
[15] 王克勤.铝冶炼工艺[M].北京：冶金工业出版社，2010.[16] 赵振明.浅谈铝电解系统节能措施[J].青海科技，2004，(02).
[17] Benedyk J C.Status Report on inert anode technology for primary aluminum.Light Metal Age，2001.
[18] Keniry J.The economics of inert anodes and wettable cathodes for aluminum reduction cells.JOM，2001.
[19] Billehaug K，Oye H A.Inert anodes for aluminium electrolysis in Hall-Heroult cells(Ⅰ).
Aluminium，1981.
[20] Roseth S，Gudbrandsen H，et al.Low temperature aluminum electrolysis in a high density electrolyte [J].Aluminum， 2005，81(5).
金属铝的生产方法新进展
18
