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第1章　绪论3

1.1　炼铝的历史3

目录3

第1篇　炼铝的基本原理与铝工业概况3

1.2　铝的性质和用途4

1.2.2 铝的化学性质5

1.2.1 铝的物理性质5

1.2.3　铝合金的种类7

1.2.4 铝的用途9

1.3.2 铝电解的原料：氧化铝12

1.3.1 铝电解生产流程12

1.3　铝电解用的原料和熔剂12

1.3.3 铝电解的熔剂：氟盐15

参考文献18

2.1.1 NaF-AlF3二元系19

2.1　铝电解质基础体系19

第2章　铝电解质基础体系和添加剂19

2.1.2 Na3AlF6-Al2O3二元系22

2.1.3 Na3AlF6-AlF3-Al2O3三元系25

2.2.1　氟化钙（CaF2）27

2.2　铝电解质的改善：添加剂的应用27

2.2.2　氟化镁（MgF2）29

2.2.3 氟化锂（LiF）30

2.2.4　氯化钠（NaCl）31

2.2.5 添加剂对电解质初晶点的综合影响33

2.2.6 工业铝电解质的发展趋势35

参考文献36

3.1.1 密度测量方法37

3.1 密度37

第3章　铝电解质的物理化学性质37

3.1.3 NaF-AlF3熔液的密度38

3.1.2 Na3AlF6-Al2O3熔液的密度38

3.2.1 电导率的测量方法40

3.2 电导率40

3.2.3 Na3AlF6-Al2O3熔液的电导率41

3.2.2 Na3AlF6和NaF的电导率41

3.2.4 炭粒和氧化铝悬浮物对熔液电导率的影响43

3.3.1 迁移数的测量方法44

3.3　迁移数44

3.3.2　迁移数的测量结果45

3.4　铝电解质的酸碱度46

3.4.1 铝电解质酸碱度的表示方式及其相互关系47

3.4.2 工业铝电解质的物相49

3.4.3 工业电解质NaF/AlF3物质的量比的测定50

3.4.4 离子选择电极法55

3.4.5　调整电解质酸碱度的计算60

参考文献61

4.1 氧化铝在冰晶石熔液中的溶解反应62

第4章　氧化铝在冰晶石熔液中的溶解62

4.2　氧化铝的溶解速度63

4.2.1 温度对氧化铝溶解速度的影响65

4.2.2 添加剂对氧化铝溶解速度的影响66

4.3　工业电解槽中氧化铝的溶解67

4.4　氧化铝浓度的检测方法69

4.5.1　透明电解槽73

4.5　透明槽观测氧化铝的溶解过程73

4.5.3 实验过程74

4.5.2 氧化铝试样的粒度和组成74

4.5.4 氧化铝溶解现象的观测75

4.6.2 沉淀物的组成77

4.6.1 沉淀物产生的原因77

4.5.5 小结77

4.6　工业铝电解槽的沉淀物77

4.6.4 沉淀物与生成碳化铝的关系79

4.6.3 沉淀物的电导率79

参考文献80

5.1　冰晶石晶格和氧化铝晶格结构81

第5章　冰晶石-氧化铝熔液的离子结构和电解机理81

5.2　冰晶石-氧化铝熔液的离子质点83

5.3.1 阴极反应85

5.3　铝电解机理85

5.3.2 阳极反应88

5.3.3　铝电解的总反应91

5.4　电泳与电渗92

5.5.1 电极反应93

5.5　关于铝电解基本原理的新见解93

5.5.2 电子传输中的屏障三则96

5.6　铝电解中诸类导电体的导电机理97

参考文献101

6.1　现代铝工业的主要生产环节102

第6章　现代铝工业102

6.2　世界各国和地区原铝产量的分布103

6.3　各国人均铝消费量105

6.4　铝厂规模106

6.5.1　能量需求109

6.5　铝电解厂的能源109

6.5.2　能源载体110

6.6.2 国内外废铝回收工业111

6.6.1 绿色金属生产111

6.6　铝的再生利用111

6.6.3　铝再生的工艺流程113

6.6.4　废铝再生工厂实例115

6.7.2　俄罗斯等独联体国家的铝工业116

6.7.1　美国铝工业116

6.7　国外铝工业116

6.7.5 澳大利亚铝工业118

6.7.4 法国铝工业118

6.7.3 加拿大、巴西和挪威的铝工业118

6.8.1　原铝生产119

6.8　中国铝工业119

6.7.6 中东铝工业119

6.7.7　非洲铝工业119

6.8.2　氧化铝生产121

6.9.1 贵州铝厂122

6.9　铝厂实例122

6.8.3 最近20年来中国炼铝技术的重要进展122

6.9.2 平果铝厂123

6.9.3　抚顺铝厂125

6.9.4 青海铝厂126

6.9.5 龙泉伊川铝厂127

6.9.6 东海铝业有限责任公司（南山铝厂）128

6.9.7 兰州铝业股份有限公司129

参考文献130

6.9.8 青铜峡铝厂130

7.1　工业铝电解槽的演变133

第7章　预焙阳极电解槽的构造133

第2篇　预焙槽炼铝生产技术133

7.2.2 大型铝电解槽的优点136

7.2.1 新世纪伊始大型电解槽纷纷涌现136

7.2　大型铝电解槽136

7.3.1 预焙阳极139

7.3　预焙阳极电解槽的构造139

7.3.2 炭阴极与TiB2涂层阴极141

7.3.3　底糊144

7.3.4　侧壁145

7.3.5 阴极棒147

7.3.6 耐火材料、保温材料和防渗材料148

7.3.8　铝母线及其经济电流密度150

7.3.7　钢壳与托架150

参考文献154

8.1　磁场和电磁力的基本概念155

第8章　铝电解槽的磁场和铝液循环流动155

8.2　导电母线的配置方案与铝液镜面形状156

8.3.1　铝液回流158

8.3　磁场对铝电解槽生产的影响158

8.3.3　滚铝159

8.3.2　铝液波动159

8.4　铝电解槽的温度场160

8.5　铝电解槽的气体流动场161

8.6.1 阳极和阴极的电流分布162

8.6 阳极和阴极的电流分布和铝液流速162

8.6.2　测量电流分布的装置163

8.6.3 测量槽内铝液流速的方法和装置167

8.6.4　模拟计算170

参考文献173

9.1.1 预焙阳极的制造流程174

9.1　预焙阳极制造174

第9章　预焙阳极174

9.1.3 原料煅烧175

9.1.2　原料：油焦和沥青焦175

9.1.4 煅后焦的物理化学性能176

9.1.5 焦炭晶体组织177

9.1.6　黏结剂：沥青178

9.1.7　配料方180

9.1.8　混捏182

9.1.10 生电极焙烧183

9.1.9　成型183

9.2　预焙阳极炭块组187

9.3　预焙阳极的性能188

9.4.1 电解消耗191

9.4　铝电解中预焙炭阳极的消耗量191

9.4.3 空气和CO2气体的氧化作用192

9.4.2　炭阳极的消耗总量192

9.4.4　选择氧化193

9.4.6 阳极掉块与断裂194

9.4.5 阳极残极194

9.6 提高我国铝用炭素材料质量的方向和措施195

9.5　铝生产中阳极费用的评估195

9.6.1　预焙阳极现状196

9.6.3　预焙阳极发展方向197

9.6.2　铝用阴极现状197

9.6.5 提高我国铝用炭素的措施198

9.6.4　铝用阴极发展方向198

参考文献202

10.1　预焙槽的预热203

第10章　预焙槽炼铝的生产技术203

10.2　预焙槽的启动206

10.3　预焙槽的启动后期207

10.4　酸性电解质启动209

10.5.1 正常生产的特征211

10.5　铝电解的正常生产阶段211

10.5.2 正常生产阶段所宜保持的技术参数和条件212

10.6　阳极作业216

10.7　增加铝产量218

10.7.2　增加电解槽系列的槽昼夜总数219

10.7.1　提高电流219

10.8.1 原铝中各种杂质的来源220

10.8　提高原铝质量220

10.8.2 原铝中杂质元素的还原机理223

10.9.1 原料和材料费226

10.9　降低原铝生产成本226

10.10　病槽治理228

10.9.2 电费228

参考文献230

11.1　铝和氧的电化学当量231

第11章　铝电解的电流效率231

11.2　影响工业槽电流效率的因素232

11.3　铝在冰晶石-氧化铝熔液中溶解现象的观测233

11.4　铝的溶解模式235

11.5　金属雾的特征及其诠释237

11.6　铝在冰晶石熔液中的溶解度239

11.7　工业铝电解槽中铝损失的律速步骤243

11.8.1 电流密度247

11.8　影响电流效率的其他物理化学因素247

11.8.4 温度249

11.8.3 阳极至侧壁的距离249

11.8.2　极距249

11.8.5 氧化铝浓度250

11.8.6　添加剂251

11.8.7 随原料带入的水电解254

11.8.8 高价-低价离子循环转换256

11.8.9 冰晶石-氧化铝熔液中的电子导电258

11.8.10 电解质的流体力学——物理因素259

11.9　决定电流效率的数学关系式260

11.10.1 盘存法261

11.10　电流效率的测定方法261

11.10.2 回归法262

11.10.3 阳极气体分析法267

参考文献272

12.1　采用炭阳极的理论电耗量273

第12章　铝电解中的电能节省273

12.3　能量利用率274

12.2　采用惰性阳极的理论电耗量274

12.4　氧化铝的分解电压计算275

12.4.1 在惰性阳极上276

12.4.2　在活性阳极（即炭阳极）上279

12.4.3 考虑氧化铝活度时的分解电压281

12.6　预焙槽的电压平衡284

12.5　铝电解质其他组分的分解电压284

12.6.1 极化电压286

12.6.2 电解质电压降289

12.6.3 极距-电压曲线290

12.6.4 阳极电压降292

12.6.5 阴极电压降293

12.6.6 导电母线电压降294

12.6.8 阳极效应发生的概率计算296

12.6.7 阳极效应分摊的电压296

12.7.1 能量平衡计算原理297

12.7　预焙槽的能量平衡297

12.7.2 不同温度基础上的能量平衡式299

12.7.3 铝电解槽的能量分配300

12.7.4 铝电解槽热损失量的比较301

12.7.5 工业预焙阳极电解槽热损失量的例子305

12.7.6 节省电能的潜力307

12.7.7 节省电能的展望308

参考文献310

13.1.1 铝热还原钠311

13.1 电解质中析出钠311

第13章　工业铝电解槽中的钠、碳化铝和碳钠化合物311

13.1.2　电解析出钠312

13.1.3 工业铝电解槽中的钠平衡315

13.2　生成碳化铝318

13.2.1 生成碳化铝的反应热力学319

13.2.2 电解质内生成碳化铝320

13.2.3 铝液中生成碳化铝322

13.2.4 炭阴极上生成碳化铝323

13.3　生成碳钠化合物325

参考文献327

14.1　熔液-固相界面张力328

第14章　冰晶石-氧化铝熔液对电极的湿润和渗透328

14.3　冰晶石-氧化铝熔液对电极的湿润性规律329

14.2　铝与冰晶石熔液之间的界面张力329

14.4.1 辅证一：铁镍基惰性阳极与炭阴极组合的电解试验337

14.4　湿润性规律的辅证337

14.4.2 辅证二：双室电解槽中电解质的渗透试验338

14.4.3 辅证三：双室电解槽中电解质渗透的新研究339

14.5.2 氧化铝浓度的影响343

14.5.1 电流密度和铝的影响343

14.5　影响电解质湿润性的因素343

14.5.3 冰晶石物质的量比的影响344

14.5.4 炭素材质的影响345

14.5.6 炭阴极上涂覆硼化钛层的影响346

14.5.5 炭阳极中添加锂盐的影响346

14.6 电解质向炭阴极孔洞中渗透的理论解释347

14.5.7 铝合金组成对炭阴极湿润性的影响347

参考文献349

15.2　临界电流密度350

15.1 铝电解中阳极效应的特征350

第15章　阳极效应350

15.3.1　实验装置351

15.3　临界电流密度的测量与结果分析351

15.3.4 实验结果352

15.3.3 实验步骤352

15.3.2 实验方法352

15.4.1 氧化铝浓度的影响355

15.4　影响临界电流密度的其他因素355

15.4.2 阳极形状的影响357

15.5.1 阳极过电压的组成部分358

15.5　电极过电压358

15.4.3 熔盐组成的影响358

15.5.2 阴极过电压的组成部分359

15.5.3 阳极过电压的测量方法360

15.5.4 阳极材质与阳极过电压的关系362

15.6 阳极效应发生时的气体组成364

15.7.1 在微型电解槽上观测阳极效应366

15.7 阳极效应的新观测366

15.7.2 在透明电解槽上观测阳极效应368

15.8　在工业电解槽上观测阳极效应369

15.7.3 在惰性阳极上观测阳极效应369

15.9 阳极效应前后金属雾的产生371

15.10　在水溶液电解中观测“电极效应”372

15.11 阳极效应发生机理的学说373

15.11.1 湿润性学说374

15.11.3　静电引力学说375

15.11.2 氟离子放电学说375

15.11.4　阳极对电解液排斥学说376

参考文献377

16.1.1 原始的低物质的量比电解质378

16.1　走向低温铝电解之路378

第16章　低温铝电解378

16.1.2 弱碱性至中性电解质379

16.1.3 弱酸性至酸性电解质380

16.1.5　低温电解质381

16.1.4 强酸性电解质381

16.2　氧化铝始终是炼铝的主要原料383

16.3.1 降低电解质的NaF/AlF3物质的量比和电解温度384

16.3　低温铝电解的研究384

16.3.2　低温电解的物理化学386

16.3.3 低温电解中的阳极和阴极过电压389

16.3.4　低温电解中的炭阳极消耗量390

16.3.6 新一轮800～900℃的低温铝电解392

16.3.5 低温电解中的电流效率392

16.3.7 在845℃下电解获得高电流效率393

16.3.8 在钢板上电沉积半固态金属和合金396

16.4.1 用重电解质在低温度下制取原铝397

16.4　其他的低温电解方法397

16.4.2 用悬浮氧化铝的电解质在低温下制取原铝398

16.5.1 电解质-铝界面张力401

16.5　是否存在最佳的电解温度401

16.5.2 电解质NaF/AlF3物质的量比与密度的关系402

16.5.5 槽内等温线403

16.5.4 电解质NaF/AlF3物质的量比与温度的关系403

16.5.3 电解质NaF/AlF3物质的量比与电导率的关系403

16.5.6 电解质NaF/AlF3物质的量比与电流效率的关系404

16.6　低温铝电解的展望405

参考文献406

17.1　铝的纯度分类407

第17章　铝精炼与高纯度铝生产407

17.2　铝中杂质元素的平衡408

17.3.1 铝液连续净化410

17.3　铝液净化、晶粒细化与铸锭410

17.3.2　晶粒细化411

17.3.4　铸锭412

17.3.3　熔剂净化412

17.4.1 生产技术概述413

17.4　三层液电解法制取精铝413

17.4.2 三层液精炼电解质416

17.4.3 三层液电解精炼中的电化学反应418

17.4.4 铝及铝-铜合金在电解质中的溶解度420

17.4.5 三层液电解中的阴极电流效率421

17.4.6 三层液电解中的阳极电流效率422

17.5　偏析法制取精铝424

17.6　有机溶液电解法制取高纯铝425

17.8　高纯度铝的检测426

17.7　区域熔炼法制取高纯铝426

参考文献428

18.1　熔盐电解法制取铝基母合金429

第18章 电解法和电热还原法制取铝合金429

18.2　热力学原理430

18.3　铝基母合金中合金元素的浓度范围431

18.4　熔盐电解法制取铝钛母合金432

18.5　熔盐电解法制取铝硅合金434

18.7　铝基合金电解生产中合金元素浓度递增律的推导435

18.6 工业电解槽生产铝硅合金435

18.8　铝硅母合金中硅浓度的极限438

18.9　熔盐电解法制备铝钛硼合金439

18.10　工业铝电解槽生产铝稀土合金441

18.11　熔盐电解法制备铝锰合金443

18.12.1 电热法熔炼铝硅和铝硅铁合金的发展445

18.12 电弧炉炭热还原低品位铝矿制取铝硅铁合金445

18.12.3 原料组成与合金熔炼447

18.12.2 生产流程447

参考文献450

19.1 概述451

第19章　钢板熔盐电镀Al-Mn和Al-Mn-Ti/Ce合金451

19.2.4 电镀设备452

19.2.3　基材处理452

19.2　电镀方法和设备452

19.2.1 熔盐组成452

19.2.2　熔盐净化452

19.3　呼尔（Hull）槽检测镀层光亮度453

19.4　电镀工艺参数的选定455

19.5.1　Al-Mn合金镀层结构456

19.5　Al-Mn合金镀层的结构和性能456

19.5.2　镀层性能457

19.6　Al-Mn-Ti和Al-Mn-Ce合金镀层的形貌和性能459

参考文献461

19.7　结论461

20.2　惰性阴极与惰性阳极465

20.1　新型电极材料的应用465

第3篇　炼铝新技术与辅助技术465

第20章　惰性阴极465

20.4　TiB2的制造方法467

20.3　Ti-B二元系相图467

20.4.2 炭热还原法制取TiB2的过程研究468

20.4.1 炭热还原法制造TiB2468

20.5.1　实验装置472

20.5 自蔓延冶金法制备TiB2陶瓷微粉472

20.5.3 生产流程473

20.5.2　实验原料473

20.5.4 产物的扫描电镜（SEM）分析474

20.6.1 涂层的制备475

20.6　TiB2-C涂层在工业铝电解槽上的应用475

20.5.5 结论475

20.6.2　TiB2-炭胶涂层的热膨胀／热收缩476

20.6.4 铝液和电解质对TiB2涂层的湿润性477

20.6.3 TiB2-炭胶涂层的导电性477

20.6.7　结论478

20.6.6 工业铝电解槽涂层的实施478

20.6.5 TiB2涂层在铝液中的溶解损失478

20.7　在石墨板上熔盐电沉积TiB2层479

20.8　振动成型法在阴极炭块上涂覆TiB2-C层482

20.9　等离子法喷镀TiB2层484

参考文献486

21.1　惰性阳极的定义487

第21章　惰性阳极487

21.2　对惰性阳极材料的要求488

21.3　制造惰性阳极的若干候选材料489

21.4.1 三电极槽检测惰性阳极490

21.4　惰性阳极的检测与试验490

21.4.2　惰性阳极电解试验槽492

21.4.3 惰性阳极材料在冰晶石熔液中的溶解度493

21.4.4 陶瓷惰性阳极在冰晶石熔液中电解时的腐蚀与钝化495

21.5　2500A惰性阳极电解槽试验499

21.6.1 新研制的惰性阳极500

21.6　若干新探索500

21.6.2 100A电解槽试验502

参考文献504

22.1　碳化硅侧壁材料的特性506

第22章　铝电解槽的绝缘侧壁506

22.2.1　测试方法508

22.2　碳化硅侧壁材料的电解测试508

22.2.2 测试结果：10个等级的划分509

22.3.2 铝液高温腐蚀试验511

22.3.1 碳化硅基侧壁材料的物理化学性能511

22.3　碳化硅基侧壁材料的物理化学性能511

22.3.3 电解液高温腐蚀试验513

22.3.4 电解腐蚀试验515

22.3.5 高温电阻率测量515

22.3.6　结论516

参考文献517

第23章　铝电解槽的过程控制518

23.1　概述518

23.2　计算机控制技术518

23.3　过程控制的基本功能519

23.4 电解槽的似在电阻曲线520

23.4.1 槽电压控制的基本原理520

23.4.2 添加氧化铝521

23.4.3 连续计算电阻斜率522

23.4.5 点式下料的自适应控制523

23.5 自适应控制实例523

23.4.4　自动跟踪523

23.6　改进预焙槽的控制策略525

23.7　专家系统525

23.8　温度信号在铝电解过程控制中的潜在利用526

23.8.1 现代铝工业电解质526

23.8.2　连续检测铝电解质温度527

23.8.3 温度场仿真529

23.8.4 间歇测温技术529

参考文献531

第24章　铝电解槽的烟气治理532

24.1　铝电解槽的烟气和粉尘532

24.2　污染物的起源533

24.2.1 烟气和粉尘533

24.2.2 冰晶石-氧化铝熔液的水解反应534

24.2.3 冰晶石-氧化铝熔液的蒸气压和氟化物颗粒排放量534

24.3　预焙槽的氟平衡535

24.4.1　一次集气系统536

24.4　烟气收集系统536

24.4.2 二次集气系统536

24.3.2　氟的支出536

24.3.1　氟的收入536

24.5　烟气净化系统537

24.5.1 干式净化的原理和方法537

24.5.2 湿式净化的原理和方法538

24.6　气体净化过程中的杂质循环539

24.7　铝厂污染物排放标准540

24.8.1 吸附剂——氧化铝542

24.8.2 干式净化装置542

24.8　烟气净化实例之一（奥达尔铝厂）542

24.8.3　烟气净化效果543

24.8.4　铝的纯度544

24.8.5 减少新鲜氟盐的消耗量545

24.9　烟气净化实例之二（巴林铝厂）545

24.10　烟气净化装置的新进展546

24.10.1 大型铝电解槽烟气净化的新问题546

24.10.2　洗涤烟气中的SO2气体547

参考文献547

第25章　铝生产中废旧阴极炭块和炭渣的回收利用548

25.1　废旧阴极炭块和炭渣回收利用的意义548

25.2.1 作为水泥制造中的补充燃料549

25.2.2　作为化铁炉的熔剂549

25.2　废旧阴极炭块回收利用实例549

25.3　废旧阴极炭块的组成与结构550

25.3.1 废旧阴极炭块中电解质的组成550

25.2.3　从废旧内衬材料中回收氟盐550

25.3.2　废旧阴极炭块中炭的结构552

25.3.3 废旧阴极炭块中的碳钠化合物和氰化物552

25.4.1 原料的准备554

25.4.2　浮选法原理554

25.4　浮选法处理废旧阴极炭块554

25.4.3　浮选法流程555

25.5　炭渣回收利用556

25.5.1 炭渣回收利用的意义556

25.6　炭渣的浮选技术557

25.5.3 炭渣的组成：化学分析557

25.6.1　炭渣的准备557

25.5.2 炭渣的组成：X射线图557

25.7　炭渣浮选结果558

25.7.1　精选试验558

25.6.2　粒度分析558

25.7.2 推荐的浮选流程559

25.7.3 浮选产品559

25.8　废旧耐火材料的回收利用560

25.8.1 废旧耐火材料在冰晶石熔液中的溶解度560

25.8.2 废旧耐火材料在冰晶石-氧化铝熔液中的电解561

25.8.3 工业槽添加废旧耐火材料的电解试验562

26.2　铝电解中阴极炭块的变异562

参考文献563

第26章　铝电解槽的破损与维护564

26.1　铝电解槽的破损现象564

26.3　阴极炭块受钠的侵蚀568

26.4　电解质对阴极炭块的渗透571

26.5　铝电解槽阴极内衬的解剖573

26.6　阴极导电棒的变异576

26.7　保温层的变异579

26.8　生成氰化物581

26.8.1 工业槽内生成氰化物581

26.8.2 怎样抑制氰化物的生成582

26.9　铝电解槽漏出电解质和铝液583

26.9.1　概述583

26.9.2 侧壁腐蚀引起的漏炉584

26.9.3　槽底破损引起的漏炉585

26.10　我国大型预焙槽阴极内衬寿命综合分析585

26.10.2 电解槽早期破损原因586

26.10.3 高龄槽宜保持的生产技术条件586

26.10.1 大型槽建立初期586

26.11 阴极内衬中敷设干式防渗层的重要意义587

26.12　延长阴极内衬使用期的若干重要措施588

参考文献590

附录593

附录1　元素的电化学当量593

附录2　300kA预焙槽的物料平衡和能量平衡计算596

附录3　金属铝、镁、硅以及铝冶炼用有关物料的质量标准和主要要求599