电解铝厂工艺讲义

电解铝厂工艺

培训讲义

2004年1月10日

电解铝行业发展

在目前已经发现的108种化学元素中，金属就占85中，通常把这些金属元素分为黑色和有色金属两大类。除了铁、锰、铬属黑色金属外，其余均为有色金属。对于这些有色金属，按其某些特性又可分为重金属、轻金属、贵金属、稀有金属、半金属等，其中铝是有色轻金属类的一种金属。

自然界中铝的储藏量极为丰富，其含量约占地壳重量的8%，仅次于氧（49.1%）和硅（26%），居第三位。几乎是地壳中全部金属含量的三分之一。然而，铝的化学性质十分活波，故在自然界中从没有发现过元素状态的金属铝，有的却都是铝的化合物，约有250多种矿物。其中最常见的硅酸盐族，以及他它们的风化产物粘土，还有水化合物，例如铝土矿，这是目前炼铝的主要原料，尽管自然界中铝的分布和储量如此丰富，但对于它的提取却比铜大约晚了二千年，直到十九世纪初它才被制取出来。

那么铝的历史又是怎样发展的呢？它首先是用化学法制取，以后发展为融盐电解法。

1、化学法炼铝

，首1825年丹麦的厄尔施泰首先用钾汞还原无水氯化铝（ALCI3）

次得到铝的金属粉末，二十年后，德国的韦勒只用钾代替钾贡还原无水氯化铝也得到了铝的灰色粉末。化学反映式：

AL+K-Hg=AL+KCI+HgCI2

ALCI3+3K=AL+3KCI

NaCI.ALCI3+3Na=AL+4NaCI

当时在法国巴黎附近建立了用钠来还原氯化钠氯化铝复盐的制铝工厂。1865年俄国的别克托夫提议用镁还原冰晶石来生产铝，这种方法后来在的国盖墨林概根铝镁工厂采用了。反应是：2Na3ALF6+3Mg=3NaMgF3+2AL +3NaF

在化学法制率阶段里，尽管后来采用了钠、镁作还原剂，但由于当时生产规模有限，还原剂又非常昂贵，因此生产量不大，整个化学法制铝才20吨。当时对铝有“泥土中的银子”之称。直到1888年采用电解法炼铝后，铝工业生产才能获得了新生。

2、电解发炼铝

电解法炼铝的试验，早在用化学法制铝的同时，就已经开始了，1807年至1854年英国的戴维和德国的本生及法国的特维耳多次做试验因当时的能源问题没有成功，等1867年发明了发电机，并在1880年加以改进后，实现了三相交流输电，有了充实的电力，这才给实现工业性电解法炼铝提供了前提条件。1886年美国的霍尔、法国的埃鲁不约而同的分别向各自的政府申请了冰晶石—氧化铝熔盐电解法的专利获得批准。这就是后人称呼的霍尔—埃鲁法。

1888年首先在美国匹兹堡利用霍尔—埃鲁法电解槽；1923年发明了侧插阳极棒自焙电解槽，当时受到很大限制，同时环境污染也很严重。1950年以后，开始研究上插阳极棒连续自焙阳极电解槽。我

国早1964年之1968年先后建立了两个上插阳极棒连续自焙阳极电解槽铝电解厂。

世界再生铝行业是世界铝工业的必要组成部分，是世界铝工业可持续发展的不可缺少的资源，是有着巨大市场潜力和发展前景的行业。再生铝有着电解铝所不具备的优势，每吨再生铝和每吨电解铝相比节省能源达95％，CO2和有害排放物大大减少，有利于环保。铝又是一种完全可以回收再生，并且品质不会降低的金属。铝金属重量轻，在汽车工业的应用日益受到重视，欧美国家的汽车公司，如美国通用汽车公司、福特汽车公司和德国大众汽车公司、宝马汽车公司都在强化和开发铝部件在汽车上的应用，全铝汽车已经成功研制出来，其减轻汽车自重、节省燃料、有利环保的优势令人瞩目。

美国2001年用铝废料生产的再生铝为298.2万吨，超过了原铝的产量。2001年美国回收的铝饮料罐占总产量的55.4％，回收铝75.5万吨。美国铝业公司已经确立了新的废铝回收目标，到2002年，美铝的铝产品要有50％用回收的废铝生产。

巴西于1990年开始生产铝饮料罐，现在年产铝罐能力达到102亿只，1991年开始回收铝饮料罐。南美三个大国——巴西、阿根廷和智利的铝饮料生产中心设在巴西，也是南美地区现在消费铝饮料罐最多的国家。2001年，上述三国共消费118亿只铝饮料罐，巴西占到89％，达到105亿只。巴西很重视铝饮料罐回收，有15万人从事铝饮料罐回收，2001年回收率达到85％，居世界第一，超过日本82.5％的回收率。巴西当年回收的铝罐重量达到11.95万吨，相当于90

亿只铝罐的重量。

日本的再生铝合金需求一直呈上升趋势，汽车零部件的铝化及出口汽车数量增加使铝废料价格全面上涨，影响到和铝罐有关的行业。通常每公斤100日元以下的废铝罐涨到125日元或130日元。2002年12月铝再生合金比2001年12月的产量增加18.1，销售量增加16.8％。 西班牙是个颇具代表的国家，目前原铝生产能力为37万吨／年，再生铝生产能力为25万吨／年，重熔能力还在增加。挪威海德鲁公司在西班牙Azuqueca建立一座全新的重熔回收厂，从2001年开始试生产铝挤压坯料，目前产能已经达到6万吨／年，原料是干净的铝生产废料和当地铝挤压厂产生的商业废料和其他材料，如晶粉细化剂和中间合金以及进口的铝锭。

世界再生铝行业的发展还有一个新的特点，那就是大型汽车公司和铝业公司建立闭环铝废料回收再生系统。据英国《今日铝》杂志一篇文章报道，美国通用汽车公司已经和加铝建立起铝废料回收再生系统，其下属的一个汽车冲压件厂把一年的单一品种的6111铝合金废料共计1250万磅全部送到加铝在美国Oswego铝加工厂直接入炉重熔，再轧制汽车用板返回至汽车冲压件厂，而不是和其他铝废料混合送到废料市场上出售。这样，通用汽车公司冲压件厂每年节省资金250万美元。值得人们注意的是，世界各大汽车公司都在注意和研究这一新铝废料回收再生系统，并十分看重其未来的市场潜力和发展空间。 英国Alcunet有限公司的AndySmith先生对铝合金合同进行了成本分析，指出电解铝厂非常愿意生产A380铝合金，因为其生产成本可靠

且不比再生铝厂的生产成本高，这是提供给再生铝和铝废料行业的一个商业信息，即废铝价格变得太高和浮动太快，将削弱废铝再生工艺的竞争力。

总之，世界再生铝行业的发展有着自身的规律，市场需求和价格是关键，降低废料再生生产成本，开发废铝再生工艺新技术、新设备迫在眉睫。在汽车工业、包装工业和建筑工业方面废铝回收再生有着巨大市场潜力和发展前景。

近年来，随着国内需求扩大，我国电解铝工业发展迅猛，产能不断扩张,产量不断增长。虽然装备技术水平有所提高，新建项目规模扩大，但也出现了氧化铝原料供应日趋紧张且价格持续上涨,电解铝总量供大于求，违规建设、盲目发展的势头。需要引起关注并加以正确引导。

电解铝市场供求情况及存在问题

1995年全国电解铝生产企业53家，电解铝产能197万吨，产量168万吨。2002年猛增到138家，产能546万吨，产量435万吨。目前仍有在建项目47个，建设规模约500万吨，投资额约350亿元。基本情况及存在问题如下：

一是生产能力增长过快,市场供大于求。2002年国内电解铝比上年增产95万吨，增长28%。生产能力增长36%，当年出口79万吨，实现净出口21万吨。成为世界最大的电解铝生产国和氧化铝消耗国。今年1-8月，电解铝产量346万吨，出口70万吨，净出口18万吨。

国际市场电解铝总体上供大于求，我国电解铝快速增长加剧了这一局面。2002年全球电解铝供应量2609万吨，供给大于消费78万吨。有关资料表明，2002年底全球电解铝总库存量高达340万吨，相当于1.6个月的消费量。2003年1-6月，全球电解铝供应量1357万吨，表观消费量1314万吨，供给量过剩43万吨。今年6月底，伦敦金属交易所电解铝仍有库存114万吨。

二是原料供应紧张且价格暴涨，电解铝利润相对下降。尽管我国氧化铝产量2002年已达到545万吨，仍无法满足电解铝快速增长的需求。1998年进口氧化铝157万吨，2002年猛增到457万吨。今年1-8月累计进口360万吨，同比增长26%。

由于我国电解铝产能快速增长，国际市场氧化铝由供大于求变为供不应求。特别是我国现货采购氧化铝已占世界现货贸易量的60%以上，导致进口价格急剧上涨。2002年全年进口氧化铝到岸价为每吨163美元，自2003年元月开始逐月上涨，7月份涨到263美元，目前最高320美元/吨。氧化铝费用占电解铝销售价格(上海金属交易所)比重已由2002年的平均27%上涨到今年6月份的40%。电解铝与氧化铝原料价差急剧缩小，电解铝利润空间大幅度下降。

三是引发了氧化铝投资热。由于电解铝产能扩张过快，引发了对氧化铝的投资热。初步了解，在建氧化铝项目和规划建设项目19个，规划总规模氧化铝1000万吨/年以上。除一些拟使用进口铝土矿外，大多数没有配套建设铝矿山，若主要依靠收购群采铝土矿维持生产，

势必助长乱采滥挖。如果不规范新一轮氧化铝投资行为，我国已探明的铝土矿资源将遭到严重破坏。

四是行业集中度没有明显提高。1995年全国电解铝企业平均产量

3.2万吨，至2002年仍基本没有变化，而国外的平均产量为19万吨。在目前138家企业中，年产电解铝20万吨以上的仅3家,产量72万吨,10-20万吨的7家，产量89万吨；5-10万吨的20家，产量124万吨;3-5万吨的12家，产量42万吨；其余96家产量108万吨。5万吨以下铝厂共108家，占总数的78%，产量仅占34%。我国电解铝产量是世界总产量的17%，但企业数量超过国外所有的电解铝企业数(120家左右)。

五是部分电解铝企业生产过程污染环境。在546万吨生产能力中,工艺落后、污染严重的自焙槽生产能力仍有131万吨，占24%。此外，部分新建项目违反《环境保护法》，不按规定向有批准权限的环境保护行政主管部门报批环境影响报告书，擅自开工建设；项目建成后也未经环境保护部门验收，不管环保是否达标即投入生产，影响当地的生态环境。一些企业违反《节约能源法》、《大气污染防治法》和国家现行产业政策，建设小火电机组和小电网做自备电厂，发电效率低，浪费能源，多数小机组使用小矿煤发电，根本不进行脱硫处理，排放大量的二氧化硫和氧化氮，污染环境。

六是大部分项目未经规定程序审批。据了解，近几年大部分电解铝建设项目未按规定投资程序进行审批。有的是地方有关部门超越了项目管理权限进行审批，有的是未经任何审批就施工建设。一些企业

规划规模10万吨以上，在操作中分期建设，地方分期审批，逃避产业政策制约和规定审批程序。因此，可以预期明年电解铝行业的发展仍将比较困难，但由于需求的增长，价格将会有所上升，从而缓解行业危机，使部分规模好，成本低的企业利润水平有所提高。

技术的最高水平的300KA预焙阳极电解槽技术已开始试运行，将为公司带来可观效益。目前主力采取高举吸筹的手法，大幅拉高股价，因此经过充分整理后，股价必将在上台阶。投资者可以逢低介入，中长线持有。

铝的性质和用途

一、铝的性质

铝有美丽的银白色的光泽，工业被称誉为“万能金属”，它的主要特性：

铝的主要物理性质 13 原子系数

26.98154 原子量

3 化合价

密度（克/厘米）纯度℃固态—2.699（~2.7）

660℃液台—2.3

1000℃液态—2.289

比热 焦/克.开 固态0.8996

660 熔点（℃）纯度99.97%

2500 沸点（℃）

397.06 熔化热（焦/克.开）

0.3356 电子当量（克/安培.小时）

0.029 电阻系数20℃（微欧姆.米）

20℃（36~37）×10-4 电导系数（欧姆-1厘米-1）

由液变固时体积收缩率线膨胀系6.6%

24×10-8 数（1/开）

1、铝是轻金属的一种，常温下的密度为2.7，是铜和钢铁的三分之一；

2、铝有良好的防腐蚀性；

3、铝是一种良好的导电材料，它的导电率在20℃时为37×10-4（欧姆-1.厘米-1），而且铝的纯度越高，导电性能越好，是铜导电率的62~65%，用铝作导电材料既经济又轻便。

4、铝具有良好的导热和反光性能，是一种制造反光镜和保温器的良好材料；

5、铝具有良好的延展性和可塑性；

6、铝的再利用率高；

7、铝易与其他金属组成合金。

二、铝的主要用途

由于铝及其合金具有以上如此多种性能，而且产量在不断增长，所以在现代国民经济和国防工业中得到了广泛的应用，成为仅次于钢铁的第二大金属。它的用途主要有：可做轻型结构材料、建筑工业材料、电气工业材料、耐腐蚀材料、食品包装材料等。

铝电解生产工艺流程

现代铝工业生产，普遍采用冰晶石—氧化铝熔盐电解法，它的主要设备是铝电解槽。其原理是以冰晶石—氧化铝熔体为电解质，炭素材料为两极，强大的直流电由阳极导入，经过电解质与铝液层，而后从阴极导出到电源。通入直流电的目的，一方面是利用它的热能将冰晶石熔化呈熔融状态，并保持恒后的电解温度；另一方面是要实现电

排气

化学反应，也就是使电解质中的铝离子从阴极上得到电子而析出，从而得到铝液，氧离子则在阳极上放电生成一氧化碳、二氧化碳的混合气体，最后通过集气僵化回收，从烟囱放入大气。在阴极上得到的液态铝，随着电解过程的不断进行，铝量不断增多，然后周期性的从电解槽中用真空抬包吸出，运往铸造部经过净化配料处理，浇注成商品铝锭。其铝电解生产工艺流程如图所示。

铝电解所需用的原材料大致分三类：原料—氧化铝；熔剂—氟化盐（它包括冰晶石、氟化铝、氟化钠、氟化镁、氟化钙、氟化锂等）；阳极材料—阳极糊或预焙炭块。

1、氧化铝

，它是在专氧化铝俗称铝氧，它的分子式是三氧化二铝（AL2O3）

门的工厂由矿石中提炼出来的一种极细微的白色粉料，流动性很好，不溶于水，能溶解在熔融的冰晶石中。熔点2050℃，沸点2980℃，密度3.6克/厘米3。氧化铝是当前冰晶石—氧化铝熔盐电解法的唯一原料，它的主要用途就是不断的补充电解质中的铝离子，使其保持一定范围的浓度，以保证电解的持续进行。生产一吨铝金属，理论上需要氧化铝1889公斤，但实际上由于运输、贮藏、操作、飞扬、电解槽内吸收等损失，致使单耗增加到1920~1960公斤。为了取得良好的生产指标，对氧化铝的要求很严格，主要体现在化学纯度和物理性能上：

A、化学纯度：一般工业氧化铝纯度为99%，通常含有二氧化硅、三氧化钛、二氧化钛、氧化钠、氧化钙和水份等少量杂质。这些杂质

对铝的质量有不同程度的不利影响，如电解质中若有铁、硅离子存在时，因她它们比铝离子更具正电性，所以它们要 于铝离子在阴极上放电，这样金属铝中就含有了杂质，降低了铝的质量；水分进入电解槽中，不仅可以水解冰晶石造成损失，引起电解质成分的改变，而且还要放出大量的氟化盐恶化环境；若水分过大时引起电解质爆炸。

氧化铝的化学成分（YS/T274—1998） 牌号

AO—1

AO—2

AO—3

AO—4 化学成分（%） AL2O3 杂质含量，不大于 不少于 SiO22O32O 灼减 备注：1、AL2O3含量为100.0%减去表中的列杂质总和的余量。

2、表中化学成分按300℃±5℃温度下烘干2h的干基计算。

3、表中杂志成分按GB8170处理。

B、物理性能：工业铝电解对氧化铝物理性能的要求是，吸水性要小、活性要大、粒度适宜、飞扬要小、同时能够较好地封闭炭阳极，保温良好。这些性能的饿好坏，主要是取决于氧化铝的晶型、粒度和形状。氧化铝通常有两种同素异形体，即α—氧化铝和γ—氧化铝。工厂声喊出来氧化铝一般是α和γ氧化铝的混合物，它们之间的比例变化，对氧化铝物理性能有直接影响，根据物理性能的饿不同把氧化铝分为三类：砂型、粉型、中间型。无论是那种氧化铝区分和考核它们的指标，主要是安息角，松散密度等，一般具备下列条件则称为优质氧化铝。

工业氧化铝物理性能要求

名 称 指 标

20~30% α—AL2O3

30~40 安 息 角

比表面积米2/克

密 度克/厘米

2、熔剂—氟化盐

A、冰晶石分天然和人造两种，天然冰晶石是无色或白色，密度

2.95~3.01，但由于它在自然界中贮藏很少，故工业所用均是人造冰晶石，它是灰色粉末，易粘于手，不溶于水，熔点1008℃。冰晶石分子式为Na3ALF6，可写成3NaF.ALF3，由此可见冰晶石是三个氟化钠分子和氟化铝分子组成的复盐。氟化钠与氟化铝分子之比称为冰晶石

其中铝占13.08%，的分子比为3时称中性，这是密度为2.9克/厘米3，

氟占54.4%，当分子比大于3时称碱性，小于3时称酸性，一般人造冰晶石其分子比多在1.6~2.0之间。

B、氟化铝（ALF3）是一种白色的细微粉末，其颗粒比氧化铝大，流动性次之，它的作用是冰晶石—氟化铝溶液的一种添加剂，它既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，以保证生产技术条件的稳定，其单耗为30~40公斤/吨铝，因为氟化铝的价格较贵，用量也较大，同时易挥发和飞扬，故在向槽内添加时，应注意方法。

C、氟化钠（NaF）也是一种白色粉末，易溶于水，同时也电解质的一种添加剂，但水塔多用于电解槽的启动或启动初期，因为在这期新槽的炭素内衬对氟化钠有选择性的吸收，使电解质的分子比急剧名 称 指 标 松散密度克/厘米 粒 度微米 灼 减以下

下降，同时装新槽所用冰晶石的分子比又较低，而生产条件又要求分子比要高，以便提高炉温。

D、氟化钙（GaF2）也是一种电解质成分之一，添加氟化钙同样多半是在启动新槽时添加。它的主要作用是炉帮的形成有好处，可使炉帮比较坚固，同时也降低电解质的初晶温度，从而降低电解质的温度，氟化钙的含量在生产过程中是要随着电解质的损失而减少的，但在生产中的平时并比经常加氟化钙，这是电解质中总有少量的氧化钙。

D、氟化镁（MgF2）和氟化钙的作用基本相似，但在降低电解质温度，改善电解质性质，提高电流效率方面比氟化钙的作用更要为明显，实践证明证明这是一种较好的添加剂。

3、阳极材料

在冰晶石—氧化铝融盐电解生产过程中，作为导电的阴极阳极的各种材料中，既能良好导电又能耐高温、抗腐蚀，同时价格低廉的唯有是炭素材料。预焙阳极块就是炭素材料及粘结剂沥青，以一定粒度及配比制作而成的阳极糊干料，经过混捏、成型、焙烧而成的阳极块，其用途是预焙电解槽的阳极。采用这种阳极的好处是避免了自焙阳极在烧结过程中有沥青烟和其他有害气体散发的弊病。预焙阳极在电解生产过程中，大约以每小时0.8~1.0毫米的速度随着电解耗着，它的单耗大约在每吨铝410公斤左右，总耗（包括残极）为560~600公斤。

电解铝厂的主要组成及联系

电解铝厂的主要组成结构是电解车间、铸造车间及循环水、氧化铝仓库（含浓相输送）、阳极组装及循环水、抄浓相输送、电解烟气净化、配电站（110KV或220KV）、整流所、空压站及循环水、加压泵房、检修车间、铆焊车间、综合仓库等辅助车间和生产办公楼、化验室、浴池等。

一、电解车间

电解车间是铝厂的核心，也是电解铝水的生产基地。电解车间的主要设备有电解槽、槽控箱、多功能机组等。

1、电解槽

电解槽是生产铝水的主要设备，也就是铝厂的生命。电解槽从1888年美国首次电流不足2000A的小型预焙电解槽发明开始，不断的完善和改进最近已达到电流500KA的大型预焙电解槽。我国目前最先进的槽型就是300KA的预焙双阳极中心四点下料大型电解槽。

工业铝电解槽通常分为阴极结构、上部结构、母线结构和电气绝缘四大部分。

A、阴极结构

阴极结构指电解槽槽体部分，他由槽壳、内衬砌体构成。槽壳 槽壳为内衬砌体外部的钢壳和加固结构，它不仅是盛装内衬砌体的容器，而且还是起着支承电解槽重量，克服内衬材料在高温下产生内应力和化学应力迫使槽壳变形的作