第1章鋁冶金學習課件

冶金學

有色金屬冶金部分江蘇科技大學材料科學與工程學院張榮良2009、6

NonferrousMetallurgy第一頁，共一百一十六頁。NonferrousMetallurgy主要參考書：傅崇說.《有色冶金原理》，冶金工業(yè)出版社（第2版），2004邱竹賢.《有色金屬冶金學》，冶金工業(yè)出版社，2004陳國發(fā).重金屬冶金學，冶金工業(yè)出版社，1992年彭容秋.重金屬冶金學(第2版),中南大學出版社，2004北京有色冶金設計研究總院等，重有色金屬冶煉設計手冊，冶金工業(yè)出版社，1995楊顯萬，邱定蕃.《濕法冶金》，冶金工業(yè)出版社，1998第二頁，共一百一十六頁。有色金屬種類現(xiàn)代冶金工業(yè)通常把金屬分為黑色金屬和有色金屬（或者鋼鐵和非鐵金屬）兩大類。鐵、鉻、錳三種金屬稱為黑色金屬，其余各種金屬，例如鋁、鎂、鈦、銅、鉛、鋅、鎢、鉬、稀土、金、銀等數(shù)十種金屬，稱為有色金屬。第三頁，共一百一十六頁。按照金屬的密度、化學特性、在自然界中的分布狀況，以及習慣稱呼，有色金屬又可分為四類：輕金屬、重金屬、稀有金屬和貴金屬。輕金屬—包括鋁、鎂、鈹、鈦、鉀、鈉、鋰、鈣、鍶、鋇等十余種金屬，其密度均小于5.0。它們具有很大的化學活性，不能用一般的火法冶金方法，而是用融鹽電解或真空冶金方法來提取。重金屬—包括銅、鎳、鈷、鉛、鋅、錫、銻、汞等十余種金屬，其密度大于5.0。它們的化學性質(zhì)一般不如輕金屬那樣活潑，因此大多數(shù)可以用火法冶金或濕法冶金方法來提取。第四頁，共一百一十六頁。稀有金屬—包括鎢、鉬、鋯、鉿、鈮、鉭、稀土金屬等數(shù)十種金屬。按照金屬各自的化學特性不同，分別用火法冶金或濕法冶金或融鹽電解方法來制取。按照某些部門的傳統(tǒng)習慣，鈦算作稀有金屬。本書將鈦列入稀有金屬。貴金屬—包括金、銀、鉑族金屬共八種。其化學性質(zhì)最穩(wěn)定。第五頁，共一百一十六頁。第1章鋁冶金

1．1概述1.1.1鋁冶金的歷史鋁在自然界中分布極廣，地殼中鋁的含量約為8%，僅次于氧和硅，居第三位。在各種金屬元素當中，鋁居首位。含鋁的礦物總計有250多種，其中主要的是鋁土礦、高嶺土、明礬石等。第六頁，共一百一十六頁。金屬鋁最初用化學法制取。自從1887---1888年電解法煉鋁工廠開始投入生產(chǎn)后，化學法便漸漸被棄用了。1888年，美國匹茲堡電解廠開始用冰晶石一氧化鋁融鹽電解法煉鋁。瑞士冶煉公司也在同時采用該法煉鋁。與化學法相比，電解法成本比較低，而且產(chǎn)品質(zhì)量好，故沿用至今。以后，其他各國相繼采用電解法煉鋁。法國始于1889年，英國1890年，德國1898年，奧地利1899年，挪威1906年，意大利1907年，西班牙1927年，前蘇聯(lián)1931年，中國1938年。第七頁，共一百一十六頁。1.1.2現(xiàn)代鋁工業(yè)自從發(fā)明冰晶石一氧化鋁融鹽電解法以來，全世界的原鋁產(chǎn)量迅速增長。第八頁，共一百一十六頁。用電解法或其他方法直接生產(chǎn)出來的純鋁稱為原鋁，現(xiàn)代鋁工業(yè)除了生產(chǎn)原鋁之外，還生產(chǎn)精鋁和高純鋁，以及多種鋁基合金?，F(xiàn)代鋁工業(yè)有三個主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)：①從鋁土礦提取純氧化鋁；②用冰晶石一氧化鋁融鹽電解法生產(chǎn)金屬鋁；③鋁加工。此外，還有兩個重要的輔助環(huán)節(jié)：①炭素電極生產(chǎn)；②氟鹽生產(chǎn)。第九頁，共一百一十六頁。第十頁，共一百一十六頁。1.1.3鋁的性質(zhì)和用途1.1.3.1鋁的物理性質(zhì)①熔點低。鋁的熔點660℃。②沸點高。液態(tài)鋁的蒸氣壓不高，沸點2467℃。③密度小。從晶格參數(shù)算出鋁的密度為2.6987g/cm3，而實測的密度值為2.6966-2.6988g/cm3，同計算值接近。④電阻率小。高純鋁（其中Al的質(zhì)量分數(shù)為99.995％）的電阻率在293K時為（2.62--2.65)×10-8Ω·m，這相當于銅的標準電阻率的1.52--1.54倍。第十一頁，共一百一十六頁。⑤鋁具有良好的導熱能力。在20℃時，鋁的熱導率為2.1W/(cm·℃)。⑥鋁具有良好的反射光線的能力，特別是對于波長為0.2--12μm的光線。⑦鋁沒有磁性，不產(chǎn)生附加的磁場，所以在精密儀器中不會起干擾作用。⑧鋁易于加工，可用一般的方法把鋁切割、焊接或粘接，鋁易于壓延和拉絲。⑨鋁的再生利用率高。現(xiàn)在全世界的再生鋁量每年達到600萬t，大約是原鋁總產(chǎn)量的1/4。廢鋁再生所用的能量大約是原鋁生產(chǎn)所用的5%。第十二頁，共一百一十六頁。⑩鋁可以同多種金屬構成合金。某些

合金的力學強度甚至超過結(jié)構鋼，具有很大的強度／質(zhì)量比值。1.1.3.2鋁的化學性質(zhì)①鋁同氧反應，生成Al2O3。鋁粉容易著火。②鋁在高溫下能夠還原其他金屬氧化物。利用這些反應可制取純金屬。③在800℃以上溫度，鋁同三價鹵化物（例如AIF3,AIC13,AlBr3,AlI3）起反應，生成一價鋁的鹵化物。第十三頁，共一百一十六頁。④由于鋁的兩性性能，鋁易于同稀酸起反應，鋁又易于被苛性堿溶液侵蝕，生成氫氣和可溶性鋁鹽，但是高純度鋁能夠抵御某些酸的腐蝕作用，可用來儲存硝酸、濃硫酸、有機酸和其他化學試劑。⑤鋁不與碳氫化合物（飽和的或不飽和的，脂肪族的或芳香族的）起反應。⑥鋁的保護劑。鋁的保護劑有多種有機的或無機的膠體（如樹脂、樹膠、淀粉、糊精等），堿金屬的鉻酸鹽和重鉻酸鹽，鉻酸，高錳酸鹽，過氧化氫以及其他氧化劑。它們能夠促進生成鋁表面上的保護性氧化膜。第十四頁，共一百一十六頁。1．1．4鋁礦鋁的化學性質(zhì)十分活潑，它通常以化合物形態(tài)存在于自然界中。含鋁的礦物有250多種，最常見的是硅酸鹽族和硫酸鹽族?，F(xiàn)代鋁工業(yè)用鋁土礦作原料，其中A1的質(zhì)量分數(shù)為25%～30%。一般泥土中A1的質(zhì)量分數(shù)大約為8％～10%。已知有250多種含鋁礦物。其中硅酸鹽礦物約有100種，硫酸鹽礦物35種，氧化物礦物15種，鹵化物礦物15種，碳酸鹽礦物5種，其他80種。第十五頁，共一百一十六頁。表1-4主要的鋁礦物第十六頁，共一百一十六頁。在電解法煉鋁中，采用非常純的氧化鋁作原料。因此適于制造氧化鋁的礦物只有含鋁量高的少數(shù)幾種。其中最主要的是鋁土礦中所含的礦物三水鋁石、一水軟鋁石和一水硬鋁石。(1)鋁土礦鋁土礦是含鋁礦物和赤鐵礦、針鐵礦、高嶺石、銳鐵礦、金紅石、鈦鐵礦等礦物的混合礦。鋁土礦便是現(xiàn)代的煉鋁原料。鋁土礦的化學組成見表1-5。第十七頁，共一百一十六頁。第十八頁，共一百一十六頁?，F(xiàn)在通用的鋁土礦是三水鋁石型，其次是一水軟鋁石和一水硬鋁石型。三者之間的區(qū)分見表1-6。第十九頁，共一百一十六頁。鋁土礦儲量的80%集中在幾內(nèi)亞、澳大利亞、巴西、加勒比海地區(qū)、印度、印度尼西亞和東歐等處于熱帶及亞熱帶的國家和地區(qū)。這些鋁礦多數(shù)為三水鋁石型，在地中海沿岸以一水軟鋁石型居多，希臘為一水硬鋁石和一水軟鋁石混合型。這些鋁土礦中硅的質(zhì)量分數(shù)較低（約低于7%)，而鐵的質(zhì)量分數(shù)較高是其主要特色。第二十頁，共一百一十六頁。中國鋁土礦資源十分豐富，分布甚廣。目前已經(jīng)探明的具有工業(yè)開采價值的鋁土礦床主要分布在山西、河南、貴州、廣西及山東等?。▍^(qū)）。我國的鋁土礦大多為一水硬鋁石型，其特點是高鋁、高硅和低鐵。礦石中m(A12O3)/m(SiO2)（簡稱鋁硅比）多數(shù)在4--7之間。鋁硅比在10以上的相對少些。福建、河南和廣西有少量的三水鋁石型鋁土礦。我國幅員遼闊，鋁土礦資源尚待深入勘探。第二十一頁，共一百一十六頁。鋁土礦一般用堿液來溶出。其可溶性在很大程度上取決于其中所含主要礦物種類。三水鋁石易溶于苛性堿溶液中。一水軟鋁石要求堿濃度和溶出溫度較高。分解一水硬鋁石則需要更高的溫度和更多的能量。評價鋁土礦質(zhì)量的標準，除了礦石類型之外，主要是礦石中的可溶性氧化鋁含量。礦石中的氧化鋁總量愈高，可反應的氧化硅量愈低，則可溶性氧化鋁含量愈高。從某種近似概念而言，礦石中的鋁硅比也是一種重要的評價標準，鋁硅比高者為好礦。第二十二頁，共一百一十六頁。(2)紅柱石、霞石紅柱石（A12O3·SiO2）有三種同素異形體：紅柱石、硅線石和藍晶石。由于構造不同，硅線石和藍晶石在高溫和高壓下穩(wěn)定，紅柱石在比較低的溫度和壓力下穩(wěn)定。霞石[(Na,K)2O·A12O3·SiO2]出產(chǎn)于我國云南省和四川省。它通常與長石、磷灰石等礦物伴生。第二十三頁，共一百一十六頁。(3）長石和高嶺石長石最廣泛分布于自然界中，它們是鈉、鉀、鈣、鋇的鋁硅酸鹽。主要礦物是斜長石（鈣長石和鈉長石等）和正長石。長石族礦物大約占地殼總質(zhì)量的90%。高嶺石以我國江西省的高嶺（地名）而得名。它是鋁硅酸鹽（主要是長石）的風化產(chǎn)物，或者是在酸性條件下經(jīng)受低溫水熱變化而生成。高嶺石分布極廣，它是以高嶺石（A12O3·2SiO2·2H2O）為主要礦物的礦石，可用作酸法提取氧化鋁或電熱法熔煉鋁硅合金的原料。第二十四頁，共一百一十六頁。黏土便是我們腳下的泥土，它也是長石的風化產(chǎn)物，但它含有高嶺石和較多的雜質(zhì)如Fe2O3，SiO2，MgO等，歷來建筑工業(yè)上用黏土造磚。它也將是一種潛在的煉鋁資源，因為其中鋁的質(zhì)量分數(shù)約為10%。(4）明礬石礦明礬石礦中的主要礦物是鉀明礬石[K2SO4·A12(SO4)3·24H2O]和鈉明礬石[Na2SO4·A12(SO4)3·24H2O]。我國明礬石儲量很豐富，出產(chǎn)于浙江、安徽和福建等省。第二十五頁，共一百一十六頁。1.2從鋁土礦提取氧化鋁從鋁礦提取鋁，主要有兩個方案，這取決于所用礦石的品位。第一個方案是選用高品位鋁土礦，先用化學法從礦石中提取純凈的氧化鋁，然后用電解法從氧化鋁中提取純凈度為99.85％的鋁。第二個方案是選用低品位的鋁礦（例如藍晶石族礦物），經(jīng)過物理選礦，分離掉一部分硅酸鹽礦物之后，送入溶出流程中去，提取氧化鋁；或者用化學法分離掉一部分氧化鐵和氧化鈦之后，在電解槽或電弧爐內(nèi)還原出鋁一硅一鐵一鈦合金，以供某種工業(yè)應用。第二十六頁，共一百一十六頁。第二十七頁，共一百一十六頁。從礦石中提取氧化鋁有多種方法，例如拜耳法、堿石灰燒結(jié)法、拜耳一燒結(jié)聯(lián)合法等，這要取決于所用的礦石類型。拜耳法一向是生產(chǎn)氧化鋁的主要方法，它采用三水鋁石型鋁土礦。用拜耳法生產(chǎn)的氧化鋁量約占全世界生產(chǎn)量的95%。由于氧化鋁具有兩性，因此既可用堿法又可用酸法提取。黏土中雖然SiO2含量高，但SiO2不溶于酸中，故近年來用酸法從黏土中提取氧化鋁的研究已有較大進展，但尚未在工業(yè)上應用。第二十八頁，共一百一十六頁。1.2.1拜耳法

拜耳法是奧地利化學家拜耳（KarlJosefBayer）于1887年發(fā)明的。拜耳法的原理是：用苛性鈉溶液（其質(zhì)量濃度為130～350gNa2O/L）在加熱的條件下將鋁土礦中的各種氧化鋁水合物溶解出來，生成鋁酸鈉溶液，此種溶液經(jīng)稀釋后在冷卻的條件下分解出純的氫氧化鋁，同時重新生成苛性鈉溶液，供循環(huán)使用。第二十九頁，共一百一十六頁。（1）拜耳法流程拜耳法流程包括以下三個主要步驟：鋁土礦溶出；鋁酸鈉溶液分解；氫氧化鋁煅燒。第一步溶出：Al2O3·xH2O+2NaOH→2NaAlO2+(x+1)H2OAl(OH)3+NaOH→NaAl(OH)4AlOOH+NaOH+H2O→NaAl(OH)4第二步分解：2NaAlO2+4H2O→2NaOH+Al2O3·3H2O第三步煅燒：Al2O3·3H2O→Al2O3+3H2O第三十頁，共一百一十六頁。第三十一頁，共一百一十六頁。（2）鋁土礦的溶出率所謂鋁土礦的溶出，是指用苛性堿溶液溶解鋁土礦中的氧化鋁。而鋁土礦中的不溶物殘渣，經(jīng)沉降分離和洗滌過濾后排出。此種殘渣稱為赤泥，數(shù)量巨大。鋁土礦的溶出是一種液一固反應。要使氧化鋁得到充分的溶解，必須把礦石磨細。為此，在溶出前預先把礦石沖洗，然后破碎并磨細。磨礦時通常配入苛性堿溶液進行濕磨。磨好的礦漿送入壓煮器內(nèi)，在那里加熱并攪拌。所用的苛性堿溶出液的濃度，以及工作溫度和壓力視鋁土礦品種而異。第三十二頁，共一百一十六頁。原則上，鋁土礦中所含的各種形式氧化鋁水合物通過溶出條件的選擇，都可溶解。但在實際上，從經(jīng)濟方面考慮，目前大多數(shù)工廠采用三水鋁石型鋁土礦。而在處理一水軟鋁石型鋁土礦時，則使用濃度較高的堿溶液。溶出的目標是要達到較大的Al2O3溶出率，以使得到較高的生產(chǎn)量。為此，要采取較高的苛性堿濃度和溫度。但工業(yè)溶出過程必須對各種參數(shù)加以協(xié)調(diào)。第三十三頁，共一百一十六頁。對于三水鋁石型礦石，為了使其在高生產(chǎn)率之下溶出，采用低溶出溫度（140--160℃）和低苛性堿濃度（大約1.2mo1的Na2O）是令人滿意的。當?shù)V石中一水軟鋁石含量增加時，溫度和苛性堿濃度必須提高。處理一水鋁石型鋁土礦時，溶出溫度必須在230--280℃，并且苛性堿濃度應該在2.3--3.3mol的Na2O范圍內(nèi)，同時還要添加石灰。第三十四頁，共一百一十六頁。鋁酸鈉溶液中的Na2O與Al2O3的比值，可以用來表示溶液中氧化鋁的飽和程度，它是鋁酸鈉溶液的一個重要特性參數(shù)，也是一項重要的技術指標。對于這個比值有不同的習慣表示方法。我國和俄羅斯采用物質(zhì)的量比n(Na2O)/n(Al2O3)，其中的Na2O是按苛性堿NaOH濃度計算的，其習慣術語叫做“苛性比”，符號為αK。美國習慣用質(zhì)量比m(Al2O3)/m(Na2O)，符號為“A/C”，但其中的Na2O是按當量Na2CO3計算的。第三十五頁，共一百一十六頁。鋁土礦中的含硅礦物在苛性堿溶液中有不同的溶解度，其中卵白石（SiO2·nH2O）化學活性最大，最容易溶解，在溫度100℃以下，生成硅酸鈉：SiO2＋2NaOH—Na2SiO3＋H2O此硅酸鈉與鋁酸鈉溶液起反應，生成含水鋁硅酸鈉沉淀。第三十六頁，共一百一十六頁。在高壓溶出條件下，進入赤泥中的含水鋁硅酸鈉的組成大致相當于Na2O·Al2O3·1.7SiO2·nH2O(n可以大到2)。從該式可知，每lkg的SiO2：要結(jié)合lkg的Al2O3和0.61kg的Na2O。根據(jù)此種含水鋁硅酸鈉礦物的組成，可以判定鋁土礦中氧化鋁的理論溶出率如下：第三十七頁，共一百一十六頁。第三十八頁，共一百一十六頁。由于鋁土礦中的SiO2含量對于氧化鋁的溶出率有很大影響，因此拜耳法適用于處理三水鋁石型鋁土礦。對于中等品位的鋁土礦則以采用拜耳一燒結(jié)聯(lián)合法較為經(jīng)濟。鋁土礦中的鐵礦物有各種不同的形態(tài)。在拜耳法溶出過程中，鋁土礦中的赤鐵礦(α-Fe2O3）實際上不溶于苛性鈉溶液，全部進入沉淀中，成為赤泥的重要組成部分。由于赤鐵礦呈紅色，沉淀物也呈紅色，因此工業(yè)上稱為赤泥。第三十九頁，共一百一十六頁。1.2.1拜耳——燒結(jié)聯(lián)合法這是拜耳法和燒結(jié)法聯(lián)合并用的一種氧化鋁生產(chǎn)方法。它用于處理氧化鋁與氧化硅質(zhì)量比為5--7的中等品位鋁土礦，其特點是用燒結(jié)法系統(tǒng)所得的鋁酸鈉溶液來補充拜耳法系統(tǒng)中的堿損失。有三種形式的拜耳一燒結(jié)聯(lián)合法，即串聯(lián)法、并聯(lián)法和混聯(lián)法。世界上只有美國、前蘇聯(lián)和中國采用拜耳一燒結(jié)聯(lián)合法，其中，美國采用串聯(lián)法，前蘇聯(lián)采用并聯(lián)法和串聯(lián)法，中國采用混聯(lián)法。第四十頁，共一百一十六頁。(1)串聯(lián)法先用拜耳法處理中等品位鋁土礦，然后用燒結(jié)法處理拜耳法中留下來的赤泥中的氧化鋁。

(2）并聯(lián)法

以拜耳法處理高品位的鋁土礦，同時以燒結(jié)法處理低品位的鋁土礦的氧化鋁生產(chǎn)方法。也有用燒結(jié)法系統(tǒng)處理高品位鋁土礦的。燒結(jié)爐料中不配石灰石，進行所謂兩組分爐料即鋁土礦與碳酸鈉的燒結(jié)。第四十一頁，共一百一十六頁。（3）混聯(lián)法先用拜耳法處理高品位鋁土礦，然后用拜耳法赤泥加低品位鋁土礦共同燒結(jié)的氧化鋁生產(chǎn)方法。燒結(jié)法系統(tǒng)所產(chǎn)的鋁酸鈉溶液除補充拜耳法系統(tǒng)的堿耗外，多余的部分通過碳酸化分解產(chǎn)出氫氧化鋁?；炻?lián)法實際上相當于一個串聯(lián)法廠與一個燒結(jié)法廠同時在生產(chǎn)，其工藝流程如圖1-5所示。第四十二頁，共一百一十六頁。第四十三頁，共一百一十六頁?；炻?lián)法的工藝特點是：

①生產(chǎn)過程中的全部堿損失都用價格較低的碳酸鈉補充，不消耗苛性堿；

②加種子分解母液蒸發(fā)時析出的一水碳酸鈉直接送往燒結(jié)法系統(tǒng)配料，因而可免除拜耳法的碳酸鈉苛化工序以及可免除苛化所得稀堿液的蒸發(fā)過程；③一水碳酸鈉吸附的有機物在爐料燒結(jié)過程中被燒掉，避免或減輕了有機物對拜耳法生產(chǎn)的不良影響；④燒結(jié)法系統(tǒng)苛性比αK較低的溶液加入拜耳法溶液中，有利于提高鋁酸鈉的分解速度和制取砂狀氧化鋁產(chǎn)品。第四十四頁，共一百一十六頁。1.2.3酸法酸法生產(chǎn)氧化鋁是一種用無機酸溶出黏土中氧化鋁的生產(chǎn)方法。用各種無機酸溶出處理黏土時，原料中的氧化硅基本上不與酸起反應，而殘留在渣中。而得到含鐵的鋁鹽酸性水溶液。經(jīng)除鐵凈化后，可通過不同的方法得到鋁鹽水合物結(jié)晶或氫氧化鋁結(jié)晶，鍛燒這些結(jié)晶便得到氧化鋁。按溶出所用的無機酸的品種，酸法生產(chǎn)氧化鋁又有硫酸法和鹽酸法之分。第四十五頁，共一百一十六頁。（1)硫酸法

硫酸便宜，揮發(fā)性和腐蝕性都小，所以對硫酸法的研究較多。從硫酸鋁溶液中結(jié)晶析出的硫酸鋁帶有18--24個結(jié)晶水，氧化鋁的質(zhì)量分數(shù)僅為13％~15%。煅燒這種結(jié)晶產(chǎn)物，熱耗大、易熔化，而且所得廢氣中的SO2和SO3體積分數(shù)低，不利于回收硫酸，或需要解決硫酸鋁在573K溫度下水解的耐酸設備問題。第四十六頁，共一百一十六頁。(2）鹽酸法法國彼施涅鋁公司于20世紀60年代中期，發(fā)明了被認為最有發(fā)展前途的酸法生產(chǎn)氧化鋁的一種方法，它是用于處理黏土和煤頁巖的H十法。此法是用濃硫酸處理含鋁原料得到硫酸鋁溶液，用冷卻結(jié)晶的方法從其中析出含有很多雜質(zhì)的硫酸鋁，然后用鹽酸溶解硫酸鋁，同時通入HCl氣體使溶液飽和，使溶液中的鋁幾乎全部以很純的AlCl3·6H2O析出。經(jīng)洗滌后的AlCl3·6H2O在1373-1473K溫度下煅燒可得到純度比拜耳法還高的氧化鋁成品和可再生鹽酸的含HCl氣體。第四十七頁，共一百一十六頁。1.2.4煉鋁用氧化鋁的質(zhì)量氧化鋁是煉鋁的原料。還用它作煙氣凈化劑、墻面保溫料和防氧化料?，F(xiàn)代鋁工業(yè)要求氧化鋁的純度高，而且要求其中的α-氧化鋁含量低、小于40μm的粒度比例小，并且比表面積大于50m2／g，對于現(xiàn)代鋁電解槽來說變得日益重要了。氧化鋁的技術規(guī)格趨向于限制大顆粒（即大于200μm）的比例，因為它們在電解質(zhì)中的溶解速率低。由于煙塵及其處理問題，細粒過多也認為是有害的。小于44μm的比例很少被允許超過15％（質(zhì)量分數(shù)）。第四十八頁，共一百一十六頁。1.2.5粉狀和砂狀氧化鋁歷史上，從鋁土礦中提取氧化鋁，通常采用苛刻的工藝條件。對于一水鋁土礦，需要濃苛性堿溶液，這導致細晶粒裹夾著堿，使其緞燒困難，并形成高α含量和比表面積小的氧化鋁。因此，所得產(chǎn)品的流動性差，稱為“粉狀”氧化鋁。而拜耳法工廠處理三水鋁石礦時，傳統(tǒng)上采用不太苛刻的提取條件，包括更加稀釋的苛性堿浸出，這導致形成較粗糙的晶體，采用較低的緞燒，所得產(chǎn)品具有較大的比表面積。因此，這種氧化鋁被稱為“砂狀的”。第四十九頁，共一百一十六頁。第五十頁，共一百一十六頁。1.3鋁電解1.3.1鋁電解原理任何一類電解體系，都由電極、電解質(zhì)和盛置電解液的容器三個重要部分組成。電極是電流導入和引出電解質(zhì)的載體，可分為陰極和陽極兩種，它們分別與直流電源的負極和正極連接。電子從電解槽的陰極供入電解液，經(jīng)電解液從陽極引出，進入直流電源的正極，構成一個回路。電極可由金屬或炭素材料構成，它們屬于第一類導體，依靠自由電子的運動而導電。第五十一頁，共一百一十六頁。在外加的直流電流的作用下，二者之間的界面上發(fā)生電化學反應。在鋁電解中，陽極上生成氣體O2或CO2和CO，視電極材料而異：如果陽極并不參與電化學反應，則屬于惰性陽極（例如鉑陽極），生成O2；如果陽極參與了電化學反應，則屬于活性陽極，例如炭陽極，生成氣體CO2和CO。陰極上生成鋁。電解質(zhì)屬于第二類導體，它依靠離子的定向運動而導電，即陽離子向陰極運動，而陰離子向陽極遷移，但電解液之中央部分仍是電中性。陽離子在陰極上獲得電子之后，生成鋁；而陰離子在陽極上交出電子之后，生成氣體O2或CO2和CO。第五十二頁，共一百一十六頁。鋁工業(yè)上采用熔融的電解質(zhì)，溫度高達800～1000℃的冰晶石熔液，這也是第二類導體，因為它是由離子構成。這種電解質(zhì)的電解屬于熔鹽電解范疇，它的特點是需要高溫，它熔化成流動性好的電解質(zhì)，具有良好的導電性和穩(wěn)定性，能夠溶解足夠數(shù)量的氧化鋁，可從中提取出鋁來。高溫的冰晶石熔液具有很大的腐蝕性，所以盛置電解質(zhì)的容器，通常用內(nèi)部鋪砌炭素材料的鋼殼構成。熔融電解質(zhì)體系的導電機理可用圖1-6來表示。第五十三頁，共一百一十六頁。第五十四頁，共一百一十六頁。1.3.2NaF-AlF3二元系在NaF-AlF3二元系中，有兩種化合物：冰晶石（Na3AlF6）和亞冰晶石（Na5Al3F14)。此外，還可能有化合物單冰晶石（NaAlF4）第五十五頁，共一百一十六頁。第五十六頁，共一百一十六頁。1.3.3Na3AlF6-Al2O3二元系Na3AlF6-Al2O3二元系已被公認為簡單共晶系，共晶點在摩爾分數(shù)為10.0％～11.5％或18.6％～21.1％處，962～960℃。其中不存在固溶體。第五十七頁，共一百一十六頁。第五十八頁，共一百一十六頁。1.3.4工業(yè)鋁電解質(zhì)為了提高各項生產(chǎn)指標，在現(xiàn)代鋁工業(yè)中，采用了酸性電解質(zhì)，亦即在熔融的電解質(zhì)里添加質(zhì)量分數(shù)為10％～15％的過量氟化鋁，使電解質(zhì)體系成為冰晶石一氟化鋁一氧化鋁三元系。在該系中有一個三元共晶點（E)(684℃)（即三種組分同時結(jié)晶的溫度），其熔點最低。E點的位置在質(zhì)量分數(shù)Na3AlF659.5%+AlF337.3%+Al2O33.2％處。添加劑氟化鈣（CaF2)，氟化鎂(MgF2)，氟化鋰(LiF)，氯化鈉（NaCl)，氯化鋇（BaCl2)等都可以降低電解質(zhì)的初晶點。第五十九頁，共一百一十六頁。目前鋁電解工業(yè)上采用的電解質(zhì)分為三類：傳統(tǒng)電解質(zhì)，改良電解質(zhì)和低物質(zhì)的量比電解質(zhì)，其組成和電解溫度范圍列在表1-11上。第六十頁，共一百一十六頁。1.3.5冰晶石．氧化鋁熔液的離子結(jié)構與電極過程一般認為，熔融的冰晶石（n(NaF)/n(AlF3）=3)完全解離成鈉離子和六氟鋁酸離子：

根據(jù)冰點降低測定，拉曼光譜研究，以及蒸氣壓測量諸項結(jié)果，認為熔液中有兩種主要的鋁氧氟離子：[Al2OF4]2-和[Al2OF6]2-。前者對應于較高的氧化鋁濃度，后者對應于較低的氧化鋁濃度：第六十一頁，共一百一十六頁。（1）陰極反應在電解質(zhì)組成的溫度范圍內(nèi)，生成液態(tài)鋁的可逆電勢比生成氣體鈉的低0.24V，所以陰極上

Al3+優(yōu)先放電。在陰極上析出金屬的反應主要是析出鋁。陰極反應的主反應為：Al3++3e=Al（液）（2）陽極反應炭陽極是一種活潑材料，它參與了陽極電化學反應。陽極主反應是鋁-氧-氟離子中的O2-在炭陽極上放電，生成CO2的反應。3O2-+1.5C-6e=1.5CO2(氣)第六十二頁，共一百一十六頁。鋁電解的總反應是：Al2O3+1.5C=Al（液）+1.5CO2(氣)工業(yè)鋁電解槽的陽極氣體組成中CO2，CO的質(zhì)量分數(shù)分別約為：70%～80%，20%～30%。陽極碳的實際消耗量為400kg(理論消耗量為333kg)。其中存在多量CO主要是由于溶解在電解質(zhì)中的鋁同一次氣體CO2發(fā)生逆反應而生成的：3CO2(氣)+2Al（溶解的）=Al2O3（溶解的）+3CO(氣)第六十三頁，共一百一十六頁。1.3.6鋁電解槽鋁電解槽是煉鋁的主要設備?，F(xiàn)代鋁工業(yè)上有兩種形式的電解槽：自焙陽極電解槽和預焙陽極電解槽。目前在全世界鋁工業(yè)上應用最廣的槽型是預焙槽，約占總生產(chǎn)能力的70%。其次是上插棒槽，約占20%。側(cè)插棒槽大約只占10%左右。第六十四頁，共一百一十六頁。預焙陽極電解槽的優(yōu)點：（1）預焙陽極的電壓降只有0.3V，而自焙陽極電壓降較大；（2）預焙槽的上部金屬結(jié)構和陽極結(jié)構比較簡單；（3）可以大型化；（4）操作的機械化和自動化程度較高；（5）電流效率較高；（6）電耗率較低；（7）煙害較小。新建的大型鋁廠多采用預焙陽極電解槽。第六十五頁，共一百一十六頁。第六十六頁，共一百一十六頁。1.3.7鋁電解的生產(chǎn)過程1.3.7.1概述鋁電解槽的全部生產(chǎn)過程包括三個階段：焙燒期、啟動和啟動后期，正常生產(chǎn)期。

（1）鋁電解槽的焙燒期目的是焙燒自焙陽極（對預焙陽極是加熱陽極）和加熱陰極，達到900～1000℃，以利于下一步的啟動。焙燒期約為三天。第六十七頁，共一百一十六頁。（2）鋁電解槽的啟動期啟動是緊接著焙燒的一個重要步驟，其任務是在電解槽內(nèi)焙化電解質(zhì)，開始鋁電解。有干式啟動與常規(guī)啟動兩種方式。前者適用于啟動新系列中的頭幾臺槽；后者是常規(guī)的啟動方法，在開始時從正在進行鋁電解的槽內(nèi)取出電解液和鋁液倒入新啟動的槽內(nèi)，用以加速啟動過程。當直流電經(jīng)炭陽極通入熔融電解質(zhì)中時，鋁便在炭陰極上析出，這時候就開始鋁的電解。啟動所需的時間一般是

lh。第六十八頁，共一百一十六頁。從啟動到正常生產(chǎn)之間有一個過渡期，稱為啟動后期，大約需要1個月。因為在初始時，電解槽槽身的溫度低，尚未與周圍的環(huán)境建立起熱平衡，所以需要保持較高的電壓、溫度和電解質(zhì)摩爾比，然后漸漸降低，最終與周圍環(huán)境建立起穩(wěn)定的熱平衡。同時，鋁的質(zhì)量逐步提高。

(3)鋁電解槽的正常生產(chǎn)期電解槽經(jīng)過焙燒和啟動期之后，便進入正常生產(chǎn)期，直到停槽為止。正常生產(chǎn)期通常延續(xù)

5～7年之久。在正常生產(chǎn)期內(nèi)，各項技術條件都已經(jīng)穩(wěn)定，并且達到優(yōu)良的生產(chǎn)指標。第六十九頁，共一百一十六頁。電解槽正常生產(chǎn)的特征如下：①從火眼中噴冒出有力的火苗，顏色呈蔚藍色或淡紫藍色；②槽電壓和溫度穩(wěn)定地保持在設定的范圍內(nèi)；③陽極完好，周邊電解質(zhì)“沸騰”良好，炭渣分離出來；④槽面上的結(jié)殼完整，疏松好打；⑤電解質(zhì)與鋁液分層清楚；⑥電解槽側(cè)壁上有凝固的電解質(zhì)，它是由冰晶石和剛玉（α-A1203）構成的，是一種電和熱的絕緣體。第七十頁，共一百一十六頁。在鋁電解生產(chǎn)期間，電解槽由計算機控制，有額定的電流，設定的氧化鋁加料量和加料周期，以及穩(wěn)定的鋁產(chǎn)量、電能消耗量和物料消量。產(chǎn)品鋁的純度可達到99.5%-99.85%。從鋁電解槽中排放出來的煙氣和粉塵在凈化系統(tǒng)中處理和回收。鋁電解中的電流效率和電能消耗率是兩項最重要的生產(chǎn)指標。第七十一頁，共一百一十六頁。1.3.7.2電流效率鋁電解的電流效率通常是指陰極上實際產(chǎn)出的鋁量對于理論上按照法拉第定律計算的鋁量的百分數(shù)。在電解過程中，通過1法拉第電量，理論上應析出1mol的鋁。鋁的相對原子質(zhì)量為26.98154。因鋁是三價的，鋁的當量值＝26.98154/3=8.9938g。1法拉第電量為96485A·s，亦即96485/3600=26.8A·h。鋁的電化學當量值可以從下式計算出：C=8.9938/26.8=0.3356g/(A·h)第七十二頁，共一百一十六頁。提高鋁電解電流效率的主要措施如下。①在適當?shù)偷倪^熱溫度下進行電解。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計，每降低過熱溫度10℃，平均提高電流效率1％～1.5%。目前工業(yè)上采取的過熱溫度值一般為5～15℃。

②建立和保持理想的槽膛內(nèi)型。槽內(nèi)陰極電流效率各處不相等。陽極底掌下面的陰極部分，其電流密度較大。而在四周圍，其陰極電流密度小得多。其結(jié)果是陽極底掌下面的陰極電流效率較高，而其周邊較低。所以，為了提高電流效率，需要收縮陽極周邊的那部分陰極面積。第七十三頁，共一百一十六頁。③盡可能使槽內(nèi)鋁液保持平靜。要求設計和配置好電解槽的導電母線。生產(chǎn)上盡可能地保持穩(wěn)定的電流，操作上不要攪動鋁液，以確保鋁液的安定性。今后的努力方向是選用低熔點的電解質(zhì)組成，以及應用惰性的可濕潤陰極，例如二硼化鈦涂層陰極，以求進一步提高電流效率到

95%。第七十四頁，共一百一十六頁。1.3.7.3鋁電解中的電能消耗量(1)鋁工業(yè)中節(jié)電的意義和潛力根據(jù)化學熱力學理論計算，生產(chǎn)每噸鋁只需要直流電能

6320kW·h。但是在工業(yè)上生產(chǎn)每噸鋁需要直流電能

13500～14000kW·h。如果計入變電和整流損失，以及鑄造和動力用電（包括煙氣凈化用電）等，則每噸鋁需要交流電15000～16000kW·h。因此鋁工業(yè)是一個用電大戶。其節(jié)電的潛力是很大的。目前電價昂貴，而且供應緊張，節(jié)電顯然具有重要意義。第七十五頁，共一百一十六頁。(2）每噸鋁所需的電能量計算這要從電解槽的平均電壓、電流效率和鋁的電化學當量值三者算出。所用的算式是：生產(chǎn)每噸鋁所需的電能量=V/(0.3356﹡η)﹡103kW·h式中

V——電解槽的總平均電壓；η——電流效率。(3)節(jié)電途徑從上文可知，節(jié)電的途徑顯然是提高電流效率和降低平均電壓。第七十六頁，共一百一十六頁。當電流恒定時，如果降低電壓，亦即減少電解槽的能量收入，則為保持既定溫度下的能量平衡起見，必須相應地減少能量支出，這主要是減少熱量損失。提高電流效率也是這樣。換言之，在降低電壓或提高電流效率的時候，宜考慮到電解槽能量平衡所發(fā)生的變化，其中，采取減少熱損失量的辦法是最適宜的。在電流恒定的條件下，減少電解槽的熱損失量是降低電壓的先決條件。為了減少電解槽熱損失量，可采取下列辦法：增大槽底部和陰極棒導出部位的保溫能力，加強槽面特別是陽極炭塊上面的保溫能力。第七十七頁，共一百一十六頁。第七十八頁，共一百一十六頁。1．4鋁精煉1.4.1鋁的純度分類按照純度的不同，鋁可以分為以下3種。①原鋁。通常是指用融鹽電解法在工業(yè)電解槽內(nèi)制取的鋁，其純度一般為

99.5％~99.85％。這是大宗的工業(yè)產(chǎn)品，不包括配制的合金。

②精鋁。一般來自三層液精煉電解槽。在精煉槽內(nèi)，原鋁和銅配成的合金作為陽極，冰晶石——氯化鋇熔液作為電解質(zhì)，析出在陰極上的精鋁，其純度通常在99.99％以上。第七十九頁，共一百一十六頁。③高純鋁。主要用區(qū)域熔煉法制取。選用精鋁作原料，得到雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)不超過1×10-6的高純鋁。高純鋁還可用有機鋁化合物電解與區(qū)域熔煉相結(jié)合的方法制取。除此之外，還有用凝固提純法從原鋁制取的接近精鋁級的鋁，以及熔煉廢鋁而得到的“再生鋁”。從電解槽中取出的鋁液通常含有三類雜質(zhì)。除了伴生金屬雜質(zhì)以外，還有非金屬固態(tài)夾雜物和氣態(tài)夾雜物。第八十頁，共一百一十六頁。鋁液中的非金屬固態(tài)夾雜物有氧化鋁、炭和碳化鋁等。鋁液中的氣態(tài)夾雜物有H2，CO2，CO，CH4和N2等幾種。其中最主要的是H2。1.4.2鋁液凈化往鋁液中通入惰性氣體（例如氮氣）或活性氣體（例如氯氣），可使鋁液中的固態(tài)夾雜物吸附在氣泡上，并隨氣泡上升至鋁液表面，最后在過濾層中分離。

第八十一頁，共一百一十六頁。第八十二頁，共一百一十六頁?，F(xiàn)代鋁工業(yè)也采用混合氣體來凈化鋁液，其作用是既分離氣態(tài)和固態(tài)夾雜物，又清除某些金屬雜質(zhì)，例如鋰和鎂?；旌蠚怏w組分的體積分數(shù)是：90%N2+10%C12，或50%N2+50%C12。此時，氯氣的污染問題可以減輕。氣體凈化鋁液的一種新方案是把氬氣從底部通入待凈化的鋁液，以提高凈化效率。第八十三頁，共一百一十六頁。1.4.3三層液電解法制取精鋁工業(yè)上通常用三層液電解法制取精鋁（純度為99.99%)。精鋁的主要用途（約70%）是制造電解質(zhì)電容器，另外一個重要用途是制造反光鏡。

三層液電解精煉法系美國賀浦氏(Hoopes)于1901年發(fā)明，因電解槽內(nèi)有三層液體而得名。其下層液體是陽極合金，由質(zhì)量分數(shù)30％的Cu與70％的Al組成。中層液體為電解質(zhì)，各國采用不同的體系，大體分為純氟化物體系和氯氟化物體系。最上層是精煉出來的鋁液，用作陰極。因此，此三層液體依密度差別而上下分層。第八十四頁，共一百一十六頁。第八十五頁，共一百一十六頁。精鋁電解槽陽極部分的結(jié)構與原鋁電解槽的陰極相似，不同點在于：前者位于電解槽的上部而后者位于電解槽的下部。在鋼質(zhì)外殼內(nèi)安裝有炭塊槽底，槽膛的側(cè)部由鎂磚砌成，鎂磚側(cè)壁是不導電的，以免陽極與陰極短路。陰極由直徑500mm、高360mm的圓柱石墨化電極構成，并在其側(cè)部和上部澆鑄鋁層保護，厚50mm，以防止石墨氧化，或者采用全部由精鋁澆鑄成的圓柱形陰極。陰極分兩行排列，陰極的數(shù)目與電解槽容量有關。第八十六頁，共一百一十六頁。工業(yè)上沿用兩類電解質(zhì)體系：①純氟化物體系。其組成中AIF3，NaF，

BaF2；熔點680℃，操作溫度740℃。此種電解質(zhì)體系主要應用于歐洲。

②氯氟化物體系。其組成中AlF3，NaF，BaC12；熔點700-720℃，操作溫度760-800℃。我國采用此種氯氟化物電解質(zhì)體系。第八十七頁，共一百一十六頁。鋁的電解精煉所依據(jù)的原理是：在陽極合金的各種金屬元素當中，只有鋁在陰極上溶解出來。陽極合金中，如銅、鐵、硅之類比鋁不活潑的金屬元素，并不溶解，仍然殘留在合金內(nèi)。電解精煉的最終結(jié)果是鋁從陽極合金中溶解出來，并在陰極上沉積，得到純度為99.99％的精鋁。生產(chǎn)It精鋁需要電能17000-18000kW·h（直流電）。第八十八頁，共一百一十六頁。1.4.4偏析法制取精鋁此法依據(jù)一般相圖的基本原理而得出。偏析法所用的原料是一般原鋁。一般當原鋁從熔融狀態(tài)下徐緩冷卻，到達其初晶點時，結(jié)晶析出純度很高的鋁粒，然后將此種鋁粒跟剩余的鋁液分離便得到所求的偏析法產(chǎn)物，其中雜質(zhì)含量均遠小于原鋁中所含的。工業(yè)生產(chǎn)結(jié)果也表明，可從99.8％的原鋁中提取到純度為

99.95％的鋁，其提取率為5％-10%。

現(xiàn)在，世界各國為制取精鋁，一般采用三層液電解法和偏析法。第八十九頁，共一百一十六頁。1.4.5區(qū)域熔煉法制取高純鋁用區(qū)域熔煉法制取高純鋁的原理是：在鋁的凝固過程中，雜質(zhì)在固相中的溶解度小于在熔融金屬中的溶解度，因此，當金屬凝固時，大部分雜質(zhì)將匯集在熔區(qū)內(nèi)。如果逐漸移動熔區(qū)，則雜質(zhì)會跟著轉(zhuǎn)移，最后富集在試樣的尾部。第九十頁，共一百一十六頁。在區(qū)域熔煉法中，分離雜質(zhì)元素的效果主要取決于各元素的分配系數(shù)。所謂分配系數(shù)，是指雜質(zhì)元素在固相中和在液相中的質(zhì)量分數(shù)分配比率。分配系數(shù)小于1的雜質(zhì)元素，在區(qū)域熔煉中富集在試樣的尾部；分配系數(shù)大于1的雜質(zhì)元素，則富集在試樣的頭部；而分配系數(shù)約等于1的雜質(zhì)元素，難以分離。但用有機溶液電解精煉法可以分離它們。所以，采用有機溶液電解精煉法與區(qū)域熔煉法串聯(lián)的兩段精煉法，可以制取純度非常高的鋁。第九十一頁，共一百一十六頁。預先經(jīng)過電解精煉的鋁，在多道區(qū)熔之后，達到的最高純度是不小于99.99995%。預先經(jīng)過有機溶液電解精煉的鋁，在多道區(qū)熔之后，達到的最高純度不低于99.99995%。區(qū)域熔煉所得的鋁，晶粒是很大的，故不適于直接加工，必須在高純石墨坩堝內(nèi)再熔，然后鑄錠備用。第九十二頁，共一百一十六頁。1.5煉鋁用炭素電極在鋁電解生產(chǎn)上，采用高溫的、具有很大侵蝕性的冰晶石熔液。在各種材料中，能夠耐高溫并抵御這種侵蝕性、價格低廉且導電良好的惟有炭素制品。因此鋁工業(yè)上用炭素電極——炭陽極和炭陰極。在電解過程中，炭陽極參與電化學反應而連續(xù)消耗，炭陰極原則上只破損而不消耗，因為在炭陰極上經(jīng)常覆蓋著一層鋁液，它實際上就是陰極。第九十三頁，共一百一十六頁。(1）對炭陽極的特性要求首先是要求它的灰分低；其次是要求預焙陽極的比電阻小（小于50Ω·mm2·m-1)；第三是氣孔率要低。優(yōu)質(zhì)預焙陽極的開口氣孔率在7％以下。第九十四頁，共一百一十六頁。（2）炭陽極的生產(chǎn)流程炭陽極的生產(chǎn)流程包括原料準備、混捏、成型、焙燒、陽極組裝等步驟。按照現(xiàn)代鋁工業(yè)的要求，鋁用炭陽極可分為兩種：預焙陽極和自焙陽極。兩種陽極的區(qū)別在于：原料焦炭與黏結(jié)劑瀝青的配比不同，焦炭的粒度分配不同，以及應用形式的差異。在流程中產(chǎn)生的陽極糊直接加入自焙陽極內(nèi)，利用電解槽內(nèi)熱量就地焙燒，形成固態(tài)陽極。而用于預焙陽極電解槽的陽極糊，還需要經(jīng)過成型和焙燒等工序制成預焙陽極，然后裝在電解槽上應用。第九十五頁，共一百一十六頁。第九十六頁，共一百一十六頁。原料通常是石油焦和瀝青焦，它們都是低灰分的優(yōu)質(zhì)炭素材料。瀝青的作用在于黏結(jié)固體焦炭粒子，組成具有一定塑性的陽極糊，并且在后來的焦化過程中把焦炭粒子焦結(jié)起來，獲得適當好的力學強度。對瀝青的要求：既要使單位體積內(nèi)生成的焦炭量多而焦層厚，又要使電極的比電阻小而且致密。優(yōu)質(zhì)的硬瀝青可以基本上滿足這些要求。煅燒溫度一般要達到1300℃。煅燒的主要目的是：去掉水分，排除揮發(fā)物，增大焦炭粒子的密度和強度，提高焦炭粒子的導電性能，以適應制造電極之需要。第九十七頁，共一百一十六頁。鋁工業(yè)制造陽極時對瀝青的要求是：既要使單位體積內(nèi)生成的焦炭量多而焦層厚，又要使電極的比電阻小而且致密。優(yōu)質(zhì)的硬瀝青可以基本上滿足這些要求。焦炭在送去配料之前都要煅燒，煅燒溫度一般要達到1300℃。煅燒的主要目的是：去掉水分，排除揮發(fā)物，增大焦炭粒子的密度和強度，提高焦炭粒子的導電性能，以適應制造電極之需要?；炷蠛玫暮显跍囟?50℃左右進入振動成型機成型。第九十八頁，共一百一十六頁?，F(xiàn)在有兩種成型法：振動成型法和擠壓成型法。振動成型法是經(jīng)常采用的方法。振動成型法是一種新方法，它與以前廣泛采用的擠壓成型法相比，顯然有下述優(yōu)點：現(xiàn)代預焙槽采用大型陽極炭塊，如用擠壓法，要使單位壓力不低于40MPa，則必須用3000t以上的壓機。這種設備投資大，土建投資亦大。如用振動成型機，可節(jié)省投資

50%～75%，它不僅可以生產(chǎn)大型炭塊，而且能夠制造異型炭塊，以適應鋁電解之需要。每臺振動成型機每兩分鐘可生產(chǎn)1塊陽極，每小時可生產(chǎn)30塊生電極，而且產(chǎn)品性能優(yōu)于擠壓成型的。第九十九頁，共一百一十六頁。生電極需要焙燒。這是因為，生電極是由焦炭顆粒和黏結(jié)劑瀝青混合后壓制而成，它的電阻極大。它在常溫下雖有一定強度，但性脆不耐沖擊和磨刷。因此需要按照一定的工藝條件進行焙燒，使黏結(jié)劑焦化，在骨料炭粒之間形成焦炭網(wǎng)絡，把所有炭粒牢固地黏結(jié)在一起，才能得到合乎要求的產(chǎn)品——預焙陽極。

第一百頁，共一百一十六頁。生電極的焙燒，通常是在焙燒爐內(nèi)在隔絕空氣的條件下按照一定的升溫速度進行間接加熱。生電極的焙燒過程也就是黏結(jié)劑瀝青的分解、排出揮發(fā)分和焦化的過程?？蓜澐譃樗膫€階段:揮發(fā)物排出階段（200℃～600℃）、焦化階段（600℃～800℃）、高溫燒結(jié)階段（800℃～1150℃）、冷卻階段（1150℃～250℃）。整個周期23天。第一百零一頁，共一百一十六頁。從焙燒窯內(nèi)取出的預焙炭塊，清除了表面上的炭粒和焦粉之后，運往組裝工段。往其孔洞中插入鋼質(zhì)導電棒（工廠稱為“鋼爪”），在炭塊與鋼質(zhì)導電棒之間澆鑄磷生鐵。此鋼質(zhì)導電棒是循環(huán)使用的，所以它的末端爪頭先浸沾石墨粉，以防鑄入高溫生鐵時受侵蝕，并改善爪頭與鑄鐵之間的接觸。在鋁電解槽上60cm高的陽極炭塊組的使用時間約為28天，到期就要更換。殘余的陽極炭塊約為20cm，破碎后仍可返回去配料，而鑄鐵和鋼爪可循環(huán)使用。第一百零二頁，共一百一十六頁。(3)炭陽極的消耗量計算炭陽極的消耗量可從鋁電解的總反應式算出。鋁電解的總反應式可從陽極氣體中CO和CO2體積分數(shù)推算出來：當N=70％時，總反應式將是：第一百零三頁，共一百一十六頁。以1000kg的Al為計算基礎在現(xiàn)代鋁工業(yè)上，生產(chǎn)每噸鋁所需的炭陽極量，以自焙槽而言約為陽極糊530～550kg,以預焙槽而言約為炭塊450kg（凈重）或500～550kg（總重）。工業(yè)生產(chǎn)上實際消耗的炭量總是超過理論量。按照每安時電量核算的實際炭耗量對理論炭耗量的比值，稱為炭耗指數(shù)。第一百零四頁，共一百一十六頁。（4）預焙陽極質(zhì)量的檢測對炭陽極的系統(tǒng)研究結(jié)果表明：炭陽極的質(zhì)量與所產(chǎn)鋁的品位、陽極消耗量、電能消耗量、電流效率和環(huán)境污染等有著密切關系；油焦的純度、結(jié)構和氣孔率三者則是決定炭陽極質(zhì)量的重要因素。所以在評價陽極質(zhì)量時，首先要檢測所用原料油焦的純度、晶體組織和氣孔率。第一百零五頁，共一百一十六頁。（5）鋁用炭陰極鋁用炭陰極原則上是不消耗的，所以它是用無煙煤作原料，雖然其灰分的質(zhì)量分數(shù)達10％以上，但是并不影響鋁的質(zhì)量，因為在炭陰極上面經(jīng)常覆蓋著一層電解出來的鋁液，作為保