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1.1　铝在地壳中的存在1

1.2　铝冶炼工艺发展过程1

第1章　铝冶炼史1

1.3 Hall-Héroult铝电解槽结构的发展3

第2章 电解质熔体结构8

2.1　冰晶石熔体的成分8

2.2　冰晶石熔体的离子结构8

2.3　冰晶石熔体的分解反应9

2.4 CaF2在Na3AlF6熔体中的离解反应和离子结构14

2.5 IiF在Na3AlF6熔体中的离解反应和离子结构15

2.6.1　氧化铝的溶解热16

2.6　氧化铝与部分添加剂在冰晶石熔体中溶解的热力学及离子结构16

2.6.2　CaF2添加剂对α-Al2O3溶解热的影响17

2.6.3 LiF添加剂对α-Al2O3溶解热的影响17

2.6.4 添加AlF3对α-Al2O3溶解热焓的影响18

2.6.5 有铝存在时α-Al2O3的溶解热焓18

2.6.6 γ-Al2O3转变成α-Al2O3的相变热18

2.6.7 氧化铝在冰晶石熔体中的离子结构19

参考文献20

3.1.4　氧化铝（Al2O3）21

3.1.2　氟化铝（AlF3）21

3.1.3　氟化钙（CaF2）21

3.1.1 冰晶石（Na3AlF6）21

3.1 电解质中各组分的固相结构21

第3章 电解质的物理化学性质21

3.2　相图与电解质的初晶温度22

3.2.1 NaF-AlF3二元系22

3.2.2 Na3AlF6-Al2O3二元系23

3.2.3 Na3AlF6-AlF3-Al2O3三元系24

3.2.4 Na3AlF6-AlF3-CaF2三元系26

3.2.5 Na3AlF6-CaF2-AlF3-Al2O3四元系26

3.2.6 Na3AlF6-AlF3-CaF2-Al2O3-LiF-MgF2六元系27

3.3　其他各种添加剂对冰晶石电解质初晶温度的影响27

3.6 电解质初晶温度的测量方法与偏差28

3.5　铝的存在对电解质初晶温度的影响28

3.4　各种氧化物杂质对电解质初晶温度的影响28

3.7 电解质的酸碱度29

3.8　电导32

3.8.1　NaF-AlF3二元系熔体的电导32

3.8.2　各种添加剂对冰晶石电解质熔体电导率的影响33

3.9 电解质熔体的密度35

3.9.1　NaF-AlF3二元系熔体密度35

3.9.2　各种添加剂对冰晶石熔体密度的影响36

3.9.3　氧化铝浓度和温度对冰晶石电解质熔体密度的影响37

3.10　黏度37

3.10.1　电解质熔体的黏度37

3.11　表面性质38

3.10.2　铝液的黏度38

3.11.1 电解质熔体对炭的湿润性39

3.11.2　熔融铝与熔融电解质之间的界面张力43

参考文献44

第4章 铝电解槽中的电极过程与电极反应46

4.1 阴极过程与阴极反应46

4.1.1 铝电解槽阴极上的一次电解产物46

4.1.2　阴极电解反应47

4.1.3　阴极过电压48

4.1.4　阴极过电压的机理49

4.1.5　阴极表面层电解质的成分50

4.1.7 阴极表面导电离子的传质51

4.1.6　阴极表面的电场强度51

4.2　阳极过程及阳极反应53

4.2.1 阳极反应53

4.2.2　阳极一次气体产物53

4.2.3　阳极过电压54

4.2.4　阳极过电压的机理55

参考文献56

第5章　槽电压57

5.1　槽电压的组成和性质57

5.2 电解质中Al2O3的理论分解电压57

5.4.2　工业电解槽电解质电阻RB的计算58

5.4.1 阳极侧部的扇形形状及扇形电流分布58

5.4　电解质的电压降58

5.3 阳极反应过电压、阳极浓度扩散过电压和阴极过电压58

5.5　阴极电压降60

5.5.1 由阴极炭块本身的电阻引起的电压降60

5.5.2　阴极钢棒的电压降61

5.5.3　阴极炭块与阴极钢棒之间的接触电压降61

5.6　阳极电压降62

5.7 电解槽热平衡体系之外的母线电压降63

5.8　槽电压计算举例63

5.9 铝电解槽槽电压、阳极过电压、阴极过电压与氧化铝浓度的关系66

5.10.1 利用参比电极测量和记录铝电解槽的阳极过电压和阴极过电压68

5.10　过电压的实验室测定68

5.10.2 利用反电动势的测量数据测量与计算电解槽的阳极过电压71

5.11 工业电解槽过电压的测定72

5.12 实验室利用全波脉动直流电压电解进行电解槽反电动势的测定74

参考文献75

第6章　阳极效应76

6.1 阳极效应的特征和现象76

6.2 阳极效应对电解槽的影响77

6.2.1 阳极效应的正面影响77

6.2.2　阳极效应的负面影响77

6.4　临界电流密度78

6.3　阳极效应的机理78

6.5　各种因素对临界电流密度的影响80

6.5.1 临界电流密度与氧化铝浓度的关系80

6.5.2　温度对临界电流密度的影响81

6.5.3 电极材料对临界电流密度的影响81

6.5.4　分子比大小和添加剂对临界电流密度的影响82

6.6　工业铝电解槽的效应电压82

6.7　阳极效应的熄灭83

6.8　阳极效应对环境的影响83

参考文献86

7.1 冰晶石氧化铝熔盐电解的能量消耗87

第7章 冰晶石-氧化铝熔盐电解电化学反应的热力学87

7.2　氧化铝的可逆分解电压Erev88

7.3　氧化铝的活度89

7.4　铝电解实际能量需求90

7.5　铝电解的当量电压E△H092

7.6　铝电解槽电压及其电能分配92

7.7　铝电解槽的热损失和能量平衡93

7.8　铝电解槽的能量利用率94

参考文献95

第8章　铝电解的电流效率96

8.1 熔盐电解中的法拉第定律96

8.2　铝的电化学当量96

8.3　铝电解槽电流效率的定义97

8.4　铝电解槽电流效率降低的原因98

8.4.1 电解槽漏电或局部极间短路造成电流损失98

8.4.2 铝的不完全放电引起电流空耗98

8.4.3　其他离子放电所引起的电流效率损失99

8.4.4　电子导电100

8.4.5　阴极上生成金属钠101

8.4.6　阴极铝的溶解损失102

8.4.7　关于阴极铝的电化学溶解问题102

8.4.8　阴极铝溶解损失的本质103

8.4.9　铝在电解质中的溶解度与铝损失105

8.4.10　铝溶解度的测定方法105

8.5　铝溶解损失的机理107

8.6　铝二次反应的机理109

8.7 电流效率的数学模型111

8.8　工艺参数和操作对电流效率的影响113

8.8.1 温度对电流效率的影响113

8.8.2 电解质分子比对电流效率的影响114

8.8.3 氧化铝浓度对电流效率的影响115

8.8.4 各种添加剂对电流效率的影响116

8.8.5　极距对电流效率的影响119

8.8.6 电流密度对电流效率的影响120

8.8.7 非阳极投影面积之外的阴极铝液面积大小对电流效率的影响121

8.8.9 阳极换块对电流效率的影响122

8.8.8 阳极电流分布对电流效率的影响122

8.8.10　槽膛形状与电流效率124

8.8.11 铝水平和电解质水平对电流效率的影响125

8.8.12 电解质过热度对电流效率的影响125

8.8.13　电解质黏度与电流效率126

8.8.14　界面张力与电流效率127

8.8.15 电解槽的稳定性与电流效率128

8.9　工业铝电解槽上阴极铝的溶解损失129

8.10　铝电解槽的极限电流效率129

8.11　工业铝电解槽电流效率的测量与计算130

8.11.1 工业电解槽电流效率的测定130

8.11.2　实验室电解槽电流效率的测定137

8.11.3　工业电解槽瞬时电流效率的测定138

8.11.4　CO2气体分析法测定电流效率的局限性139

参考文献139

第9章　预焙阳极141

9.1 引言141

9.2　预焙阳极的制造流程141

9.3　预焙阳极制造所用原料143

9.3.1 石油焦143

9.3.2　煤沥青149

9.3.3　阳极残极154

9.4.1 配料155

9.4　成型155

9.4.2　沥青需求量156

9.4.3　Blaine数配料应用实例158

9.4.4　干料的预热、糊料的混捏和冷却158

9.4.5 阳极成型160

9.4.6　成型阳极的冷却161

9.4.7 阳极焙烧162

9.4.8　焙烧对阳极质量的影响164

9.4.9　环式炉焙烧技术的改进166

9.5　预焙阳极在电解槽上的行为172

9.5.1　热震（热冲击）172

9.5.2 阳极消耗174

9.5.3　铝电解生产对阳极的质量要求180

参考文献182

第10章　铝电解槽的阴极183

10.1 电解槽的阴极结构183

10.2　制造电解槽炭阴极内衬的材料183

10.2.1 无烟煤184

10.2.2　冶金焦186

10.2.3　人造石墨186

10.2.4　石油焦186

10.3　氮化硅结合的碳化硅绝缘内衬186

10.4.1 阴极炭块的分类及使用性能187

10.4　阴极炭块187

10.4.2　几种阴极炭块的性能比较188

10.4.3　具有开发和应用前景的两种新型阴极底块189

10.5　捣固糊190

10.5.1 捣固糊的分类及质量指标190

10.5.2　捣固糊在焙烧过程中的膨胀与收缩192

10.5.3　捣固糊收缩率的测定193

10.5.4　降低收缩率的方法193

10.6　糊的捣固性能193

10.6.1　糊的捣固性能及其试验193

10.6.2　施工中捣固糊密度的测定195

10.7 电解过程中钠和电解质熔体在阴极炭块中的渗透196

10.7.1　试验研究方法196

10.7.2　钠在电解质熔体中的渗透速度197

10.7.3 由化学反应所引起的钠的渗透198

10.7.4 由电化学反应所引起的钠的渗透199

10.7.5　钠嵌入化合物在阴极中的存在200

10.7.6　钠的渗透机理201

10.7.7 电解质熔体在阴极炭块中的渗透203

10.8　碳化铝在阴极炭块中的生成机理205

10.9　铝电解过程中阴极上出现的Rapoport效应207

10.10.1　底块和侧块的标准检测209

10.10　铝电解生产对阴极炭块的质量要求209

10.10.2　用户（电解工厂）对电解槽底块和侧块的检测210

10.10.3　底块和侧块的非标准检测210

10.10.4　捣固糊质量210

10.11 提高铝电解槽的阴极寿命210

10.11.1　合理的电解槽设计211

10.11.2　合理的电解温度216

10.12　阴极内衬中的耐火材料和保温材料217

参考文献219

11.2.1　铝液焙烧221

11.2　焙烧方法的选择221

11.1　焙烧的目的221

第11章 电解槽的焙烧、启动与技术管理221

11.2.2　外电阻加热焙烧与铝液焙烧相结合的焙烧技术222

11.2.3　炭粒焙烧222

11.2.4　铝锭、铝块和铝屑焙烧225

11.2.5　火焰焙烧225

11.2.6　焙烧方法的选择226

11.3　铝电解槽焙烧质量的评价227

11.3.1 升温速度227

11.3.2　最终焙烧温度227

11.4.1　炭粒粒度的选择228

11.4　铝电解槽的炭粒焙烧228

11.3.6　阴极电流分布228

11.3.5　阳极电流分布228

11.3.4　焙烧过程中阴极表面的温度分布228

11.3.3　阴极底块中的温度梯度228

11.4.2　炭粒床厚度和炭粒种类的选择229

11.4.3　升温速度的控制229

11.4.4　焙烧过程中电流分布的调节230

11.5　电解槽的干法启动231

11.6　电解槽的常规启动232

11.7　过渡期电解槽的工艺特点与操作要点234

11.8　铝电解转入正常生产以后的工艺操作与技术管理236

11.8.1 温度236

11.8.2　电解质的组成238

11.8.3　铝水平242

11.8.4　法国AP电解槽设计参数、工艺技术参数和主要技术经济指标245

参考文献245

第12章　铝电解槽电流的强化246

12.1　电流强化的可能性246

12.2　我国自焙槽强化电流的历史回顾247

12.3　铝电解槽电流强化的几个技术问题248

12.3.1 电流强化后的电流效率问题249

12.3.2 阳极和阴极电压降问题249

12.3.3　电解质电压降问题250

12.3.4　电流强化后的热平衡问题250

12.3.5　进一步提高阳极质量的问题252

参考文献253

第13章 TiB2/C阴极电解槽254

13.1 TiB2的性质及其在铝电解槽阴极上的应用254

13.2　TiB2的制备254

13.2.1 元素合成法制取高纯度的TiB2254

13.2.2　熔盐电解法制取TiB2254

13.2.3　金属热还原法制取TiB2255

13.2.4　碳热还原法制取TiB2255

13.3　TiB2/C复合材料在铝电解槽阴极上的应用256

13.4　TiB2/C阴极在电解过程中的钠膨胀和电解质熔体的渗透260

13.5　2000A泄流式TiB2/C复合材料阴极试验电解槽261

参考文献264

第14章 氧化铝及其在电解槽中的行为265

14.1 氧化铝的生产——粉状氧化铝和沙状氧化铝265

14.2　铝电解对氧化铝性质的要求265

14.3　氧化铝的性质266

14.4　电解槽上部结壳的性质269

14.5　泥状沉降物的性质270

14.6　氧化铝的溶解及其机理——律速步骤271

参考文献276

第15章　铝电解生产过程的控制277

15.1　铝电解过程的诊断与控制277

15.2.1　槽电压的控制278

15.2　铝电解正常生产过程的控制278

15.2.2　槽电压不稳定（摆动）情况的处理279

15.2.3　氧化铝浓度控制279

15.2.4　氧化铝下料过程控制对极距的影响282

15.3　熄灭阳极效应283

15.4　添加氟化铝284

15.5　槽电压噪声的控制285

15.6 电解槽初晶温度和过热度的控制286

参考文献287

16.1　传热问题概述288

16.1.1　传热的3种形式288

第16章　铝电解槽的温度场288

16.1.2　传热问题的边界条件及求解方法289

16.2　铝电解槽传热过程的物理模型289

16.3　铝电解槽传热过程二维稳态数学模型290

16.3.1 电解槽数学模型求解区域的单元划分290

16.3.2　热交换过程的控制方程及其离散291

16.3.3　铝电解槽数学模型的边界条件296

16.4　计算实例297

16.4.1　计算所需数据的选取297

16.4.2　计算结果299

16.5　铝电解槽内结壳与介质换热系数的计算300

16.5.1　铝电解槽电解质熔体和铝液与槽帮结壳之间传热的基本原理300

16.5.2　炉帮与电解质熔体和铝液熔体之间的换热系数303

16.5.3　热流管法计算槽帮与电解质熔体之间的换热系数304

16.5.4　计算实例305

16.6　铝电解过程中槽膛形状的变化308

16.6.1 铝电解过程中铝液水平的变化对槽膛形状的影响308

16.6.2　选用不同的内衬炭材料对槽膛形状的影响312

16.7　铝电解槽电压、电流变化对电解槽热平衡的影响316

16.7.1　计算原理和计算方法316

16.7.2　计算实例318

参考文献321

17.1.2 电磁场的计算方法概述322

17.1.1　铝电解槽磁场计算及研究的意义322

17.1　绪论322

第17章　电解槽磁场322

17.1.3 国内外有关铝电解槽磁场计算研究的现状323

17.2　铝电解槽内外传导电流产生磁场的计算329

17.2.1　基本概念330

17.2.2　母线电流产生磁场的计算331

17.2.3 阴极炭块、阳极炭块以及铝液和电解质熔体中电流所产生磁场的计算333

17.3　表面磁荷法计算磁场的原理和步骤336

17.3.1　表面磁荷法计算磁场的原理336

17.3.2　应用表面磁荷法计算磁场的公式推导339

17.3.3　非线性方程组的求解341

17.3.4　应用表面磁荷法计算磁场的步骤341

17.4.1　磁场的测量343

17.3.5　应用表面磁荷法计算磁场的程序框图343

17.4　铝电解槽磁场的测量与计算程序的验证343

17.4.2　磁场的计算346

17.4.3　测量结果与计算结果的比较与讨论347

17.4.4　误差分析348

17.5　铝电解槽磁场的测量与计算程序的验证349

17.5.1 160kA大型预焙阳极铝电解槽磁场的计算349

17.5.2　186kA大型预焙阳极铝电解槽磁场的计算355

17.5.3　230kA大型预焙阳极铝电解槽磁场的计算357

17.6　铝电解槽母线的设计359

参考文献362

18.1.1　槽内铝液流场计算及研究的意义364

18.1.2　流体力学研究方法概述364

第18章 电解槽内磁场引起铝液的流动364

18.1　绪论364

18.1.3　紊流问题的数值计算方法概述365

18.1.4　国内外有关铝电解槽流场研究的现状370

18.2　铝电解槽流场控制方程的建立及离散373

18.2.1 基本概念373

18.2.2　铝电解槽流场的数学描述374

18.2.3　求解区域的离散化377

18.2.4　通用控制微分方程378

18.2.5　离散方程的建立379

18.2.6　离散方程的求解方法381

18.3.1 铝电解槽流场计算的边界条件383

18.3.2　铝电解槽流场的计算383

18.3　铝电解槽流场的计算383

18.4　铝液流速的测定386

18.4.1　铁棒溶解法测定铝液流速386

18.4.2　用Alcoa便携式叶片流量计测铝液流速387

参考文献387

第19章　铝电解生产中的氟化盐消耗与烟气治理389

19.1　铝电解生产过程中的氟化盐消耗389

19.1.1　铝电解质蒸发389

19.1.2 电解质的水解所引起的电解质消耗390

19.1.4　电解过程中阴极内衬吸收电解质392

19.1.3 原料中的杂质与电解质的反应引起电解质的消耗392

19.1.5 电解槽开动时的氟化盐消耗393

19.1.6 阳极效应期间所引起的电解质消耗393

19.1.7　氟的平衡395

19.2 电解槽烟气的干法净化395

19.2.1　电解槽烟气的组成395

19.2.2　电解槽F排放量的环保标准395

19.2.3　干法净化的理论基础396

19.2.4　干法净化的工艺过程及设备原理398

19.3　SO2的净化技术400

参考文献401