【文章內容簡介】 鋁廣泛應用于家用器具中，質輕是它重要的特 第 3 頁 性，可適應于 真空吸塵器、電熨斗、便式洗碟機及食品加工機與攪拌器的要求。 家具 ： 質輕、低維護費用、抗蝕、經(jīng)久耐用和美麗的外觀是鋁制家具的主要優(yōu)點。 機械與設備 ： 鋁材也被廣泛地應用在加工設備 、 紡織設備 、 煤礦機械 、 移動式灌溉管與工具 。 鋁及其合金可以用已知的所有方法澆鑄成鑄件或加工成材。鋁及其合金的加工產(chǎn)品可以劃分為兩類：一類是通用產(chǎn)品，包括薄板、厚板、箔、棒材、線材、管材以及結構型材，其中板材可細分為圓 形 棒和非圓形棒，其中管材可細分為標準圓管和非標準圓形管。另一類是非通用的產(chǎn)品，這是為了某個特定用途而設定的產(chǎn)品，包括擠壓型 材、鍛件、沖擠件、鑄件、沖壓件、粉末冶金零件、機加工件和鋁基復合材料。 擠壓件其實 是擠壓固體金屬通過開孔模而生產(chǎn)出來的。具有軸對稱的設計件特別適合于用擠壓形式生產(chǎn)。使用現(xiàn)行的工藝，也能擠壓復雜的、有心軸的和不對稱的外形，精密擠壓可顯出非同尋常的嚴格 尺寸 和表面光潔度，工件的主要 尺寸 通常不需要機加工；擠壓后產(chǎn)品的精度可容許用簡單的切割、 鉆 孔、擴孔和其它小量的機加工來達到。擠壓、擠壓與拉拔結合生產(chǎn)的無縫管可與機械制造的有縫管和焊接管相匹敵。 國內外鋁工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢 國內外鋁工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 中 國鋁電解技術自 70 年代末引進 160KA 中間下料預焙槽技術之后，從消化國外技術開始，揭開了中國現(xiàn)代鋁電解技術發(fā)展的序幕，以鋁電解槽熱電磁力特性及磁流體數(shù)學模型研究為核心，在工藝、材料、過程控制及配套技術等方面展開了廣泛 深入的研究工作。九十年代以來，在基礎理論、大型鋁電解槽開發(fā) 現(xiàn)狀及工程應用取得了一系列成果，開發(fā)成功了 280KA、 320KA 以上的特大型電解槽技術，使鋁工業(yè)的技術進步令人矚目 。大容量電解槽的開發(fā)，使中國鋁電解技術總體上達到了國際先進水平，電解鋁工業(yè)的面貌發(fā)生了根本的改變。 實際運行方面比較差， 由于 開發(fā)時間短，對中國大型鋁電解槽在生產(chǎn)領域的深層次開發(fā)明顯不足，致使實際運行指標的生產(chǎn)指標與國際先進水平還有較大差距。多數(shù)在大負荷、小電網(wǎng)環(huán)境下運行，安全隱患多。鋁電聯(lián)營是中國電解鋁企業(yè)發(fā)展的趨勢之一，但同時在技術上也存在相應的問題。由于大容量電解槽一般系列規(guī)模較大（一個系列產(chǎn)能可達 20 萬噸以上），巨大的用電負荷集中在一個生產(chǎn)系列上（一般達 40 萬 KW以上），電解系列生產(chǎn)的任何波動都會造成電網(wǎng)或自備電廠較大的影響，甚至威脅供電安全。 缺乏建立在對陰極破損機理與規(guī)律透徹掌握基礎上的“精細設計”技術和提高槽壽命 的綜合技術措施，電解槽難以達到設計壽命，早期破損率高。影響 第 4 頁 中國大型槽槽壽命的問題除了中國普遍認為的陰極炭素材料質量方面的原因外，電解槽的設計、筑爐材料、筑爐質量、焙燒啟動、正常生產(chǎn)操作及生產(chǎn)管理等方面均存在一些問題。導致這些問題的深層次原因是，中國尚缺乏對鋁電解槽破損（常稱為陰極破損）機理與規(guī)律的深入掌握及在此基礎上的“精細設計”技術和提高槽壽命的綜合技術措施。隨著電解槽容量的不斷擴大，槽壽命問題就更加突出。 中國鋁業(yè)股價缺乏先進的生產(chǎn)操作技術，作業(yè)成本高。中國 300KA 級的特大型預焙鋁電解槽投入工業(yè)應 用的時間短。又不能完全照搬以前在大型預焙槽上的相關經(jīng)驗（這些經(jīng)驗也有很大局限性）。焙燒啟動過程中電流分布不均的問題更突出且焙燒啟動過程中的能耗大；投入運行后電解槽的物理場（電場、磁場、流場）容易波動，熱平衡的維持較困難；槽電阻極易受外界的干擾而波動，陽極效應發(fā)生后熄滅困難，且由于電解槽的慣性大，一旦出現(xiàn)槽況波動或槽況異常現(xiàn)象，很難快速恢復正常。新型電解鋁用鋼殼鋁芯陽極爪 。 就中國電解鋁整體生產(chǎn)狀態(tài)而言，能源綜合利用效率要比國際先進水平低15%左右，主要表現(xiàn)在： 電流效率相差 23 個百分點；噸鋁電耗相差 300800Kwh；電解鋁用陽極生產(chǎn)過程能耗相差 3Gj/t 左右；電解鋁陽極消耗相差 3060Kg（折合標準煤約 75150Kg）；電槽槽壽命相差 1000 天左右；陽極效應系數(shù)國際先進為 次 /天 .槽以下，中國最好水平在 次 /天 .槽左右。 電解鋁工業(yè)發(fā)展趨勢 目前世界電解鋁工業(yè)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在如下五個方面： （ 1）世界鋁工業(yè)的組織結構日趨規(guī)模化、集團化、國際化； （ 2）鋁電解槽日趨大型化或超大型化，其科技含量、智能化程度越來越高； （ 3）電解鋁生產(chǎn)的指標向著高產(chǎn)、優(yōu)質、低耗、長壽和低污染的方 向加快進步； （ 4）世界鋁工業(yè)向電力充裕廉價、鋁土礦資源豐富的地區(qū)轉移； （ 5）電解鋁新技術探索不斷進行。 電解鋁生產(chǎn) 鋁電解工藝流程 現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)，主要采取冰晶石 — 氧化鋁融鹽電解法。直流電流通入電解槽，在陰極和陽極上起電化學反應。陰極上是鋁液，陽極上是 CO2和 CO 氣體。鋁液用真空抬包抽出，經(jīng)過凈化和澄清之后，澆鑄成商品鋁錠，其質量達到 %A1。陽極氣體中大約含有 7080%CO2和 2030%CO，還含有少量氟化物和瀝青煙氣，經(jīng)過凈化之后，廢氣 排 放入大氣，收回的氟化物 返回電解槽。圖 11 是鋁電解生產(chǎn)流程簡圖。 第 5 頁 圖 11 鋁電解生產(chǎn)流程簡圖 電解鋁就是通過電解得到的 鋁 ?，F(xiàn)代電解鋁工業(yè)生產(chǎn)采用冰晶石 氧化鋁融鹽電解法。熔融冰晶石是 溶劑 ，氧化鋁作為 溶質 ，以碳素體作 為陽極，鋁液作為陰極，通入強大的直流電后，在 950℃ 970℃ 下，在 電解槽 內的兩極上進行電化學反應， 即 電解。 重要通過這個方程進行： 2Al2O3＝ 4Al＋ 3O2。 陽極： 2O2ˉ－ 4eˉ＝ O2↑ 陰極 : Al3+＋ 3eˉ＝ Al 鋁電解的原料：氧化鋁 鋁電解的主體原料是氧化鋁。生產(chǎn)每噸鋁所需的 Al2O3量，從理論上計算等于 1889kg。實際上由于工業(yè)氧化鋁大約含有 Al2O3 ％左右，以及在運輸和加料過程中有塵散損失，所以生產(chǎn)每噸鋁所需的氧化鋁量大約是 1920～ 1940kg。 氧化鋁是從鋁土礦、霞石、藍晶石、明礬石、高嶺石、粘土中提取出來的。我國目前主要采用鋁土礦作為制取氧化鋁的原料。生產(chǎn)氧化鋁的方法主要有拜爾法、堿石灰燒結法、拜爾 燒結聯(lián)合法等，具體采用何種方法，視鋁土礦的性質而定。氧化鋁是當前冰晶石 氧化鋁熔鹽電解法生產(chǎn)鋁的主體原料。其主要作用是不斷補充電解質中的鋁離子 (Al3+)，使其保持適宜范圍的濃度，以保障電解生產(chǎn)持續(xù)、穩(wěn)定地進行。電解生產(chǎn)中，為了取得良好的技術經(jīng)濟 指標，對氧化 第 6 頁 鋁的要求是非常嚴格的，首先體現(xiàn)在其化學純度上，其次是物理性能。 工業(yè)氧化鋁中通常含有 Al2O3 99％左右，其他成分通常為少量的 SiO2， Fe2O3，TiO2， Na2O， CaO 和 H2O。 在電解過程中，那些電位正于鋁的元素的氧化物性質，如 SiO2和 Fe2O3，都會被鋁還原，還原出來的 Si 和 Fe 進入鋁內，從而使鋁的品位降低；而那些電位負于鋁的元素的氧化物雜質，如 Na2O和 CaO 會分解冰晶石，使電解質成分發(fā)生改變并增加氟鹽消耗量。 P2O5則會降低電流效率。水分進入電解槽內不僅可以水解冰晶石造成損失，引起電解質成分的改變，而且還要產(chǎn)生大量的氟化氫，惡化環(huán)境。若水分過大時，還能引起電解質爆炸，危及工人的安全。水分還會增加鋁液中氫含量。所以鋁工業(yè)對氧化鋁的純度提出了嚴格的要求。 現(xiàn)代鋁電解生產(chǎn)對于氧化鋁的化學組成提出一些新的要求。例如，氧化鋁中各項雜質的含量應符合下列條件： Na2O% V2O5 % SiO2% P2O5 % Fe2O3% ZnO% TiO2% 我國氧化鋁 等級標準如下 (見表 11)。適應于大型預焙槽生產(chǎn)用的氧化鋁應 滿足三級品以上的要求，其中一至二級品占 80%以上，余者為三級品。 表 11 氧化鋁質量標準 (YB81475) 級別 代號 化學成分 % Al2O3 含量≦ 雜質含量 ≧ SiO2 Fe2O3 Na2O 灼減 一級 Al2O31 二級 Al2O32 三級 Al2O33 四級 Al2O34 五級 Al2O35 1 六級 Al2O36 1 注： 1. 氧化鋁含量為 100%減去表中所有雜質總和的余量 2. 表中化學成分按在 300℃177。 5℃溫度下烘干 2h 的干基計算 3. 表中雜質成分按 BG8170 處理 工業(yè)氧化鋁的物理性能，對于保證電解過程正常進行是很重要的。鋁電解生產(chǎn)對氧化鋁的物理性能的要求是： （ 1）吸水性小，防 止因水分過多水解冰晶石，甚至引起爆炸； （ 2）溶解度大，避免氧化鋁未及時溶解而生成大量沉淀，且能夠較快溶解 第 7 頁 在熔融電解質里； （ 3） 飛揚損失小，并且能夠嚴密地覆蓋在陽極碳塊上，防止陽極氧化和減少熱量損失； （ 4）有較大的活性及足夠的比表面積，能很好地吸收煙氣中的氟化氫 。 這些物理性能取決于氧化鋁晶體的晶型、粒度和幾何形狀。根據(jù)氧化鋁的物理特性不同，可分為三類：砂狀、粉狀和中間狀，安息角大小是其主要區(qū)分點（見表 12）。 表 12 不同類型氧化鋁的物理特性 類型 α Al2O3 比表面積 堆積比重 真比重 安 息角 灼減 粒度（ 44μ m） % m2/g g/cm3 g/cm3 o % % 砂狀 10～ 20 50～ 60 30 3540 42 ～ 10 1220 40 中間狀 40～ 50 35 粉狀 60～ 70 2～ 10 物料的安息角取決于它的一部分顆粒在另一部分顆粒上滑動或滾動的阻力。砂型氧化鋁呈球狀，顆粒較粗，平均粒度約為 4050μ m。安息角小，只有30176?！?50176。，其中 α － Al2O3含量少于 20％， γ － Al2O3含量較高，具有較大的活性，適于在干法氣體凈化中用來吸附 HF 氣體，以及在半連續(xù)下料的電解槽上用作原料，故目前得到廣泛應用。粉型氧化鋁呈片狀和羽毛狀，顆粒較細，安息角大，約為 45176。 ,α － Al2O3含量達到 80％。中間型氧化鋁介乎二者之間。 鋁電解的熔劑：氟鹽 氟鹽是鋁電解的熔劑，是 鋁電解的輔助原料。鋁電解的氟鹽包括冰晶石、氟化鋁、氟化鈣、氟化鎂、氟化鋰等幾種。在鋁電解過程中，生產(chǎn)每噸鋁的氟鹽的消耗指標是：冰晶石 5～ 20kg，氟化鋁 15～ 30kg，氟化鋰 2～ 3kg。 冰晶石 鋁電解所用的熔劑主要是冰晶石（ 3NaFAlF3）。其中氟化鈉與氟化鋁的分子數(shù)之比稱為冰晶石的分子比。分子比為 3時，冰晶石呈中性；分子比小于 3時，冰晶石呈酸性；分子比大于 3 時，冰晶石呈堿性。 氧化鋁能夠溶解在由冰晶石和其它幾種氟化物組成的熔劑 里 ，構成冰晶石－氧化鋁熔液。這種熔液在電解溫度在電解溫度 950oC左右能夠良好的導電。它的密度大約 是 ,比同一溫度下鋁液的密度 ％左右，因而能夠保證鋁液跟電解液分層。在這種熔鹽里基本上不含有比鋁更正電性的元素，從而能夠保證電解產(chǎn)物鋁的質量。 天然冰晶石（ 3NaFAlF3）產(chǎn)于格陵蘭島，屬于單斜晶系，無色或雪白色，密度 ，硬度 ，熔點 1010℃。但是它的儲量有限，遠遠不能滿足全世界 第 8 頁 鋁工業(yè)的需要，所以現(xiàn)代鋁工業(yè)采用合成冰晶石，其化學成分見表 13。 表 1－ 3 國產(chǎn)冰晶石的質量標準（％） 氟化鋁 工業(yè)氟化鋁是白色極細的粉末，不粘手。在常壓下加熱不熔化，但在高溫下升華。工業(yè)上廣泛采 用氟化鋁來調整電解質成分，既可彌補電解質中氟化鋁的揮發(fā)損失，又可調節(jié)電解質的分子比。國家標準 (GB/T42921999)如表 14。 表 14 氟化鋁質量標準 (GB429284) 等級 化學成分， %(質量 ) F≦ Al≦