电解铝生产培训教材
工艺篇
安全技术部
第一章铝电解概述
第一节铝电解发展及现状
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铝（Aluminium）在自然界中分布极广，地壳中铝的含量约为7.5%，仅次于氧（O）和硅（Si），居第三位，在各种金属元素当中，铝居首位。铝的化学性质十分活泼，但是自然界中发现了少量元素状态的铝，与其他矿物共生。含铝的矿物总计有250多种，其中主要的是铝土矿、高岭土、明矾石等。
我国开采和利用铝矿有悠久的历史，很早就开始从明矾石提取（古称矾石），供医药及工业上使用。汉代《本草经》一书中记载了16中矿物药物，其中就包括矾石、铅丹、石灰、朴硝、磁石。明代宋应星所著《天工开物》一书中记载了矾石的制造和用途。
金属铝最初用化学法制取。1825年，丹麦Oersted用钾贡还原无水氯化铝，得到一种灰色的金属粉末，在研磨时呈现金属光泽，但当时未能加以鉴定。1827年，德国Wohler用钾（K）还原无水氯化铝，得到
少量细微的金属颗粒。1845年，他把氯化铝气体通过熔融的金属钾表面，得到金属铝珠，每颗铝珠的质量为10~15mg，于是铝的一些物理性质和化学性质得到了测定。
1854年，法国Deville用纳代替钾还原NaCl-AlCl3络合盐，制取金属铝。钠和钾同为一价碱金属，但钠的相对原子质量比钾小，制取1Kg铝所需的钠大约是3.0~3.4Kg，而用钾大约需要5.5Kg，故用钠比较经济。当时称铝为“铝土中的银子”1855年，Deville在巴黎世界博览会上展出了12块小铝锭，总量约为1 Kg。
1854年，在巴黎附近建成了世界上第一座炼铝厂。1865年，俄国Beketob提议用镁还原冰晶石来生产铝。这一方案后来在德国Gmelingen铝镁工厂里被采用。
自从1887~1888年电解法炼铝工厂开始投入生产后，化学法便渐渐停止了，在此之前的30多年内采用化学法总共生产了200T铝。
原来在采用化学法炼铝期间，德国Bunn和法国Deville继英国Davy之后研究电解法炼铝。1854年，Bunn发表了试验总结报告，声称通过电解NaCl-AlCl3络合盐，得到金属铝。他在电解时采用炭阳极和炭阴极。Deville除了电解NaCl-AlCl3络合盐之外，还电解此络合盐和冰晶石的混合物，都得到了金属铝。Deville也许是认识到氧化铝可熔于熔融氟盐的第一个人。那时候，用蓄电池作为电源不能获得较大的电流，而且价格很贵。因此电解法不能在工业上应用。只有在1867年发明了发电机，并在1880
年加以改进之后，才使电解法可以用于工业生产。
1883年，美国Bradley提出利用氧化铝可熔于熔融冰晶石的特性来电解冰晶石-氧化铝熔盐方案，但未获得专利。3年之后（1886年），美国Hall和法国Heroult通过实验不约而同的申请了冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝的专利，获得批准，这就是历来所称的Hall-Heroult（霍尔-埃鲁）法。
Hall认为氧化铝是炼铝的适当原料，唯一的问题是要寻找一种适宜的溶剂，因为氧化铝的熔点很高。所以他系统地研究各种溶剂，进行实验，一直到冰晶石为止。Heroult则相反，自从电解纯冰晶石溶液得到铝后，为了寻找炼铝原料他先添加了NaCl-AlCl3络合盐，但由于NaCl-AlCl3易于水解，故改用氧化铝。可见，他们是殊途同归的。他们发明的方法分别申请到专利。
1888年，美国匹兹堡电解厂开始用冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝。瑞士冶炼公司也在同时采用该法炼铝。与化学法相比，电解法成本比较低，而且产品质量好，故沿用到至今。
以后，其他各国相继采用电解法炼铝，法国始于1889年，英国1890年，德国1898年，奥地利1899年，挪威1906年，意大利1907年，西班牙1927年，前苏联1931年，中国1938年。
第二节铝的性质和用途
一、铝的性质
孕妇能吃冻柿子吗铝(Al)具有美丽的银白色光泽，且以轻兼具其他各种特性而著称。因此，在工业上被称誉“万能金属”。它的主要特性如下：
1、铝是轻金属的一种，它的密度在常温下为2.7，是铜和铁的三分之一。
2、铝具有良好的耐腐蚀性。铝表面在空气中与氧化合，很快生成一层光滑致密的氧化铝薄膜。使其内部免受氧化，增强了铝的防腐能力。
3、铝是一种良好的导电材料。
4、铝具有良好的导热和反光性能。
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。这些合金既可保持铝的某些特性，又可显著提高其机械性能。
二、铝的用途
由于铝及其合金具有以上如此多的性能，而且产量在不断增长，所以得到了广泛应用，成为仅次于钢
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铁的第二大金属。它的应用主要表现在下面几个方面：
1、可做轻型结构材料如：汽车、国防工业、宇宙、航天工业。
2、建筑工业材料如：铝合金型材。
3、电气工业材料制造电线、电缆、电容器、整流器、母线。
4、耐腐蚀材料在化学工业上常用铝及其合金制造各种反应器、储槽和管路等。
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5、食品包装材料仓库储槽、容缸、食品罐头盒子、零用包装铝箔。
第二章铝电解生产理论知识
截止目前，铝的工业生产，一直采用冰晶石—氧化铝熔盐电解法。长期以来，人们对新法炼铝（如高炉炼铝法、氯化铝电解法等）作了不少研究，但未能在工业上取得突破性进展。本章以冰晶石—氧化铝熔盐电解为基础，介绍有关铝电解的基本理论知识。
第一节铝电解过程中两极反应和副反应
含铝矿石在专门的氧化铝厂，生产出纯度较高的固体氧化铝作为铝电解的原料。氧化铝呈白色粉末状，
其熔点很高2050℃，欲采用直接熔化提炼铝，困难很大。但是，固体氧化铝可以部分地溶解在熔点较低的冰晶石熔融液中，形成均匀熔体，并且此熔体具有良好的导电性，这就使得铝的电解冶炼能在低于氧化铝熔点较多的条件下得以实现。
红十字会精神固体氧化铝溶解在熔融冰晶石熔体中，当通入直流电后，即在两极上发生电化学反应，在阳极是得到气态物质，阴极上得到液态铝，其过程为：
溶解的氧化铝通入直流电液态铝（阴极） + 气态物质（阳极）
使用不同材质的阳极，阴极上虽然都能获得相同的铝液，但阳极气态物质却不相同。当采用惰性阳极（不消耗阳极）时，阳极气体为氧气（O2）即
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苏联阿富汗Al2O3(溶解的) 直流电 2Al(液) + 3/2O2（气）
但至目前，还未能找到经济合理、性能满足大工业生产的惰性阳极材料来，因此没有在工业上付诸应用，仅限于实验研究之中。铝的工业生产全部采用活性阳极（碳阳极）。采用碳阳极生产时，随着电解过程的进行，阳极碳参与电化学反应，生成碳的化合物—二氧化碳，反应式为：
侧面积公式2Al2O3(溶解的)+3C（固）直流电 4Al（液）+3CO2（一次气体）
其电极反应过程为：
Al2O3（固）溶解、电离 2Al3+(络合状)+3O2-（络合状）
在阳极上：3O2－（络合的）＋1.5C－6
ｅ 1.5CO2 （1）
在阴极上：2AL3＋（络合的）＋6
ｅ 2AL （2）
合并（1）与（2）式，则得总反应式：
AL2O3＋1.5C＝2AL＋1.5CO2
上述反应过程乃为当前铝工业生产的基本原理。依据此原理，随着反应不断进行，电解质熔体的氧化铝、固体碳阳极不断被消耗掉，因此，生产中需不断向电解质熔体中添加氧化铝和补充碳阳极，使生产得以连续进行。冰晶石在原理上不消
