现代铝电解--理论与技术(精)
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浙江嘉兴
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作者冯乃祥
出版社化学工业出版社
ISBN9787122352491
出版时间2020-09
装帧精装
开本16开
定价168元
货号30974594
上书时间2024-10-13
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商品详情
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作者简介
冯乃祥，东北大学教授、博导，主要从事轻金属冶金教学与科研工作。在国内外本学科领域发表涉及铝镁轻金属冶金理论与技术研究成果的学术论文近300篇，授权发明专利10余项，著作2部。获国家教委科技进步奖二等奖1项，国家自然科学奖三等奖1项，省部级奖励6项，美国TMS奖励1项，获中国有色金属新法炼镁技术鉴定成果2项。近几年，承担国家自然科学基金的面上项目2项、重点项目1项，国家“863”计划项目1项、重点项目1项，国家支撑计划项目1项，企业合作项目10余项。
著者所发明的新型阴极结构电解槽和新阳极技术，引领了当代铝电解阴极和阳极技术的一次重大革命，使得铝电解生产直流电耗从过去的13000～13300kWh/吨铝降低到了12300kWh/吨铝左右，吨铝节能减排效果显著：氟化物减排2吨多，二氧化碳减排580多吨，二氧化硫减排0.23吨。在此基础上建立起了新型阴极结构电解槽热场、电场、磁场、流场和波动的基础理论。与此同时，结合我国电解铝厂电解槽电解质高锂含量的实际，系统地研究了KF和LiF对电解质物理化学性质和电极过程的影响，填补了了电解质和电解过程基础理论的空白。新型阴极结构电解槽整体技术达到国际领先水平。著者获得2010年中国有色金属工业协会科学技术奖一等奖，2010年度美国TMS科学奖（是我国获此奖项的第一人），目前该技术已经在全国80%以上的电解铝厂得到应用，国内新建的电解铝厂均采用该技术。在国际上，挪威Elkem碳素公司已经对该技术进行国际代理，目前Hydro德国铝业公司已经采用该技术进行工业应用。
目录
第1章铝电解槽/ 1
1.1世界铝电解槽发展简史/ 1
1.2中国铝电解槽发展简史/ 6
1.2.1 上插自焙阳极电解槽技术/ 6
1.2.2 预焙阳极电解槽技术/ 7
1.2.3 135kA较大型边部加工下料预焙阳极电解槽技术/ 7
1.2.4 135kA中间点式下料预焙阳极电解槽技术/ 8
1.2.5 自焙槽改预焙槽技术/ 8
1.2.6 大型预焙阳极电解槽技术的发展/ 8
参考文献/ 9
第2章电解质晶体和熔体结构/ 10
2.1冰晶石熔体的成分/ 10
2.2冰晶石的晶体结构/ 11
2.3含Li3AlF6、K3AlF6添加剂的冰晶石晶体结构/ 11
2.4电解质中各组分的晶体结构/ 12
2.4.1 冰晶石(Na3AlF6)/ 12
2.4.2 氟化铝(AlF3)/ 12
2.4.3 氟化钙(CaF2)/ 12
2.4.4 氧化铝(Al2O3)/ 12
2.4.5 氟化钾(KF)/ 13
2.4.6 氟化锂(LiF)/ 13
2.4.7 氟化镁(MgF2)/ 13
2.5冰晶石的熔体结构/ 13
2.6冰晶石熔体的离解反应/ 14
2.7CaF2在Na3AlF6熔体中的离解反应和离子结构/ 19
2.8LiF在Na3AlF6熔体中的离解反应和离子结构/ 20
2.9Al2O3在Na3AlF6熔体中的离解反应和离子结构/ 20
参考文献/ 22
第3章电解质的物理化学性质/ 23
3.1相图与电解质的初晶温度/ 23
3.1.1 NaF-AlF3 二元系/ 23
3.1.2 LiF-AlF3 二元系/ 24
3.1.3 KF-AlF3 二元系/ 25
3.1.4 Na3AlF6-Al2O3 二元系/ 26
3.1.5 Na3AlF6-AlF3-Al2O3 三元系/ 27
3.1.6 Na3AlF6-AlF3-CaF2 三元系/ 27
3.1.7 Na3AlF6-Al2O3-MgF2 三元系/ 28
3.1.8 MgF2 对不同分子比冰晶石熔体初晶温度的影响/ 28
3.1.9 Na3AlF6-CaF2-AlF3-Al2O3 四元系/ 29
3.1.10 在分子比2.5、MgF2 与CaF2 为5%条件下,Al2O3 含量对初晶温度的影响/ 30
3.1.11 Na3AlF6-AlF3-CaF2-Al2O3-LiF-MgF2 六元系/ 30
3.2LiF 对冰晶石电解质初晶温度的影响/ 31
3.3KF 对分子比小于3 电解质初晶温度的影响/ 31
3.4LiF 和KF 同时存在对电解质初晶温度的影响/ 32
3.5各种氧化物杂质对电解质初晶温度的影响/ 32
3.6铝的存在对电解质初晶温度的影响/ 33
3.7电解质初晶温度的测量方法/ 33
3.7.1 目测法/ 34
3.7.2 冷却曲线法/ 34
3.7.3 差热曲线法/ 34
3.8工业铝电解质初晶温度的槽前实时测量/ 35
3.8.1 冷却曲线法槽前实时测量/ 36
3.8.2 差热曲线法槽前实时测量/ 36
3.9电解质的酸碱度/ 42
3.9.1 电解质酸碱度的表示方法/ 42
3.9.2 工业电解槽中各种添加剂对电解质酸碱性的影响/ 42
3.9.3 电解质分子比的测量方法/ 47
3.10电导/ 49
3.10.1 冰晶石电解质熔体导电的本质/ 49
3.10.2 NaF-AlF3 二元系熔体的电导/ 50
3.10.3 冰晶石熔体中NaF的离解度与导电离子的迁移数/ 50
3.10.4 温度对电解质熔体电导率的影响/ 51
3.10.5 CaF2、MgF2、LiF、KF对电解质熔体导电性能的影响/ 51
3.10.6 氧化铝对冰晶石熔体导电性能的影响/ 54
3.10.7 含炭和溶解金属粒子的电解质熔体的导电性能/ 54
3.10.8 工业电解槽电解质熔体的导电性能/ 56
3.10.9 工业电解槽电解质熔体电导率的测定/ 57
3.11电解质熔体的密度/ 58
3.11.1 NaF-AlF3 二元系熔体密度/ 58
3.11.2 各种添加剂对冰晶石熔体密度的影响/ 59
3.11.3 氧化铝浓度和温度对冰晶石电解质熔体密度的影响/ 59
3.12黏度/ 60
3.12.1 电解质熔体的黏度/ 60
3.12.2 铝液的黏度/ 61
3.13表面性质/ 61
3.13.1 电解质熔体对炭的湿润性/ 62
3.13.2 熔融铝与熔融电解质之间的界面张力/ 65
参考文献/ 66
第4章铝电解槽中的电极过程与电极反应/ 68
4.1阴极过程与阴极反应/ 68
4.1.1 铝电解槽阴极上的一次电解产物/ 68
4.1.2 阴极电解反应/ 69
4.1.3 阴极过电压/ 70
4.1.4 阴极过电压的机理/ 71
4.1.5 阴极表面层电解质的成分/ 72
4.1.6 阴极表面的电场强度/ 72
4.1.7 阴极表面导电离子的传质/ 73
4.1.8 铝电解的各种工艺条件对阴极过电压的影响/ 74
4.2阳极过程及阳极反应/ 75
4.2.1 阳极反应/ 75
4.2.2 阳极一次气体产物/ 75
4.2.3 阳极过电压/ 77
4.2.4 阳极过电压的机理/ 78
4.2.5 铝电解工艺操作对阳极过电压的影响/ 79
参考文献/ 79
第5章槽电压/ 81
5.1槽电压的组成和性质/ 81
5.2电解质中Al2 O3 的理论分解电压/ 81
5.3阳极反应过电压、阳极浓度扩散过电压和阴极过电压/ 82
5.4电解质的电压降/ 82
5.4.1 阳极侧部的扇形形状及扇形电流分布/ 82
5.4.2 工业电解槽电解质电阻RB 的计算/ 82
5.5阴极电压降/ 84
5.5.1 由阴极炭块本身的电阻引起的电压降/ 84
5.5.2 阴极钢棒的电压降/ 85
5.5.3 阴极炭块与阴极钢棒之间的接触电压降/ 85
5.6阳极电压降/ 86
5.7电解槽热平衡体系之外的母线电压降/ 86
5.8槽电压计算举例/ 86
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/ 89
5.10过电压的实验室测定/ 91
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/ 91
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/ 94
5.11工业电解槽过电压的测定/ 95
5.12实验室利用全波脉冲直流电压电解进行电解槽反电动势的测定/ 97
参考文献/ 97
第6章阳极效应/ 98
6.1阳极效应的特征和现象/ 98
6.2阳极效应对电解槽的影响/ 99
6.2.1 阳极效应的正面影响/ 99
6.2.2 阳极效应的负面影响/ 99
6.3阳极效应的机理/ 100
6.4临界电流密度/ 102
6.5各种因素对临界电流密度的影响/ 104
6.5.1 临界电流密度与氧化铝浓度的关系/ 104
6.5.2 温度对临界电流密度的影响/ 105
6.5.3 电极材料对临界电流密度的影响/ 105
6.5.4 分子比大小和添加剂对临界电流密度的影响/ 105
6.6工业铝电解槽的效应电压/ 106
6.7工业铝电解槽阳极效应发生的规律、预测与预报/ 106
6.8阳极效应的熄灭/ 111
6.9阳极效应对环境的影响/ 111
参考文献/ 113
第7章冰晶石-氧化铝熔盐电解电化学反应的热力学/ 115
7.1冰晶石氧化铝熔盐电解的能量消耗/ 115
7.2氧化铝的可逆分解电压E rev / 116
7.3氧化铝的活度/ 117
7.4铝电解实际能量需求/ 117
7.5铝电解的当量电压E ΔH 0 / 119
7.6铝电解槽电压及其电能分配/ 120
7.7铝电解槽的热损失和能量平衡/ 120
7.8铝电解槽的能量利用率/ 121
参考文献/ 122
第8章铝电解的电流效率/ 123
8.1熔盐电解中的法拉第定律/ 123
8.2铝的电化学当量/ 123
8.3铝电解槽电流效率的定义/ 124
8.4铝电解槽电流效率降低的原因/ 125
8.4.1 电解槽漏电或局部极间短路造成电流损失/ 125
8.4.2 铝的不完全放电引起电流空耗/ 125
8.4.3 其他离子放电所引起的电流效率损失/ 125
8.4.4 电子导电/ 127
8.4.5 阴极上生成金属钠/ 127
8.4.6 阴极铝的溶解损失/ 128
8.4.7 关于阴极铝的电化学溶解问题/ 129
8.4.8 阴极铝溶解损失的本质/ 129
8.4.9 铝在电解质中的溶解度与铝损失/ 131
8.4.10 铝溶解度的测定方法/ 131
8.5铝溶解损失的机理/ 133
8.6铝二次反应的机理/ 135
8.7电流效率的数学模型/ 137
8.8工艺参数和操作对电流效率的影响/ 138
8.8.1 温度对电流效率的影响/ 138
8.8.2 电解质分子比对电流效率的影响/ 139
8.8.3 氧化铝浓度对电流效率的影响/ 140
8.8.4 各种添加剂对电流效率的影响/ 141
8.8.5 极距对电流效率的影响/ 143
8.8.6 电流密度对电流效率的影响/ 144
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/ 145
8.8.8 阳极电流分布对电流效率的影响/ 146
8.8.9 阳极换块对电流效率的影响/ 147
8.8.10 槽膛形状与电流效率/ 148
8.8.11 铝水平对电流效率的影响/ 149
8.8.12 电解质过热度对电流效率的影响/ 149
8.8.13 电解质黏度与电流效率/ 150
8.8.14 界面张力与电流效率/ 150
8.8.15 电解槽的稳定性与电流效率/ 151
8.9工业铝电解槽上阴极铝的溶解损失/ 152
8.10铝电解槽的极限电流效率/ 153
8.11工业铝电解槽电流效率的测量与计算/ 153
8.11.1 工业电解槽电流效率的测定/ 153
8.11.2 实验室电解槽电流效率的测定/ 159
8.11.3 工业电解槽瞬时电流效率的测定/ 161
8.11.4 CO2 气体分析法测定电流效率的局限性/ 161
参考文献/ 162
第9章预焙阳极/ 163
9.1预焙阳极的制造流程/ 163
9.2预焙阳极制造所用原料/ 165
9.2.1 石油焦/ 165
9.2.2 煤沥青/ 170
9.2.3 阳极残极/ 174
9.3成型/ 175
9.3.1 配料/ 175
9.3.2 沥青需求量/ 176
9.3.3 Blaine数配料应用实例/ 177
9.3.4 干料的预热、糊料的混捏和冷却/ 178
9.3.5 阳极成型/ 179
9.3.6 成型阳极的冷却/ 180
9.3.7 阳极焙烧/ 181
9.3.8 焙烧对阳极质量的影响/ 183
9.3.9 环式焙烧炉焙烧技术的改进/ 185
9.4预焙阳极在电解槽上的行为/ 190
9.4.1 热震(热冲击)/ 190
9.4.2 阳极消耗/ 192
9.4.3 铝电解生产对阳极的质量要求/ 197
参考文献/ 198
第10章铝电解槽的阴极/ 199
10.1电解槽的阴极结构/ 199
10.2制造电解槽炭阴极内衬的材料/ 199
10.2.1 无烟煤/ 200
10.2.2 冶金焦/ 201
10.2.3 人造石墨/ 202
10.2.4 石油焦/ 202
10.3氮化硅结合的碳化硅绝缘内衬/ 202
10.4阴极炭块/ 202
10.4.1 阴极炭块的分类及使用性能/ 202
10.4.2 几种阴极炭块的性能比较/ 204
10.4.3 具有开发和应用前景的两种新型阴极底块/ 204
10.5捣固糊/ 205
10.5.1 捣固糊的分类及质量指标/ 205
10.5.2 捣固糊在焙烧过程中的膨胀与收缩/ 207
10.5.3 捣固糊收缩率的测定/ 207
10.5.4 降低收缩率的方法/ 208
10.6糊的捣固性能/ 208
10.6.1 糊的捣固性能及其试验/ 208
10.6.2 施工中捣固糊密度的测定/ 209
10.7电解过程中钠和电解质熔体在阴极炭块中的渗透/ 210
10.7.1 试验研究方法/ 210
10.7.2 钠在电解质熔体中的渗透速度/ 212
10.7.3 由化学反应所引起的钠的渗透/ 213
10.7.4 由电化学反应所引起的钠的渗透/ 213
10.7.5 钠嵌入化合物在阴极中的存在/ 214
10.7.6 钠的渗透机理/ 215
10.7.7 电解质熔体在阴极炭块中的渗透/ 216
10.8碳化铝在阴极炭块中的生成机理/ 218
10.9铝电解过程中阴极上出现的Rapoport 效应/ 220
10.10铝电解生产对阴极炭块的质量要求/ 222
10.10.1 底块和侧块的标准检测/ 222
10.10.2 用户(电解工厂)对电解槽底块和侧块的检测/ 222
10.10.3 底块和侧块的非标准检测/ 222
10.10.4 捣固糊质量/ 223
10.11提高铝电解槽的阴极寿命/ 223
10.11.1 合理的电解槽设计/ 223
10.11.2 合理的电解温度/ 228
参考文献/ 229
第11章电解槽的焙烧、启动与技术管理/ 230
11.1焙烧的目的/ 230
11.2焙烧方法的选择/ 230
11.2.1 铝液焙烧/ 230
11.2.2 炭粒焙烧/ 231
11.2.3 铝锭、铝块和铝屑焙烧/ 233
11.2.4 火焰焙烧/ 233
11.2.5 焙烧方法的选择/ 234
11.3铝电解槽焙烧质量的评价/ 235
11.3.1 升温速度/ 235
11.3.2 最终焙烧温度/ 235
11.3.3 阴极底块中的温度梯度/ 235
11.3.4 焙烧过程中阴极表面的温度分布/ 236
11.3.5 阳极电流分布/ 236
11.3.6 阴极电流分布/ 236
11.4铝电解槽的炭粒焙烧/ 236
11.4.1 炭粒粒度的选择/ 236
11.4.2 炭粒床厚度和炭粒种类的选择/ 236
11.4.3 升温速度的控制/ 237
11.4.4 焙烧过程中电流分布的调节/ 238
11.5电解槽的干法启动/ 239
11.6电解槽的常规启动/ 239
11.7过渡期电解槽的工艺特点与操作要点/ 241
11.8铝电解转入正常生产以后的工艺操作与技术管理/ 243
11.8.1 温度/ 243
11.8.2 电解质的组成/ 245
11.8.3 铝水平/ 248
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/ 249
参考文献/ 251
第12章铝电解槽电流的强化/ 252
12.1电流强化的可能性/ 252
12.2我国自焙槽强化电流的历史回顾/ 253
12.3铝电解槽电流强化的几个技术问题/ 254
12.3.1 电流强化后的电流效率问题/ 255
12.3.2 阳极和阴极电压降问题/ 255
12.3.3 电解质电压降问题/ 255
12.3.4 电流强化后的热平衡问题/ 256
12.3.5 进一步提高阳极质量的问题/ 257
参考文献/ 258
第13章氧化铝及其在电解槽中的行为/ 259
13.1氧化铝的生产——粉状氧化铝和沙状氧化铝/ 259
13.2铝电解对氧化铝性质的要求/ 259
13.3氧化铝的性质/ 260
13.4电解槽上部结壳的性质/ 263
13.5泥状沉降物的性质/ 264
13.6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/ 264
13.6.1 氧化铝的溶解热/ 264
13.6.2 CaF2 添加剂对α-Al2O3 溶解热的影响/ 265
13.6.3 LiF添加剂对α-Al2O3 溶解热的影响/ 266
13.6.4 添加AlF3 对α-Al2O3 溶解热焓的影响/ 266
13.6.5 有铝存在时α-Al2O3 的溶解热焓/ 266
13.6.6 γ-Al2O3 转变成α-Al2O3 的相变热/ 266
13.7氧化铝在冰晶石熔体中的溶解度/ 267
13.8氧化铝的溶解及其机理——控速步骤/ 268
参考文献/ 272
第14章铝电解生产过程的控制/ 273
14.1铝电解过程的诊断与控制/ 273
14.2铝电解正常生产过程的控制/ 274
14.2.1 槽电压的控制/ 274
14.2.2 槽电压不稳定(摆动)情况的处理/ 275
14.2.3 氧化铝浓度控制/ 275
14.2.4 氧化铝下料过程控制对极距的影响/ 277
14.3熄灭阳极效应/ 278
14.4添加氟化铝/ 279
14.5槽电压噪声的控制/ 280
14.6电解槽初晶温度和过热度的控制/ 281
参考文献/ 282
第15章铝电解槽的温度场/ 283
15.1传热问题概述/ 283
15.1.1 传热的3种形式/ 283
15.1.2 传热问题的边界条件及求解方法/ 284
15.2铝电解槽传热过程的物理模型/ 284
15.3铝电解槽传热过程二维稳态数学模型/ 285
15.3.1 电解槽数学模型求解区域的单元划分/ 285
15.3.2 热交换过程的控制方程及其离散/ 286
15.3.3 铝电解槽数学模型的边界条件/ 291
15.4计算实例/ 291
15.4.1 计算所需数据的选取/ 291
15.4.2 计算结果/ 293
15.5铝电解槽内结壳与介质换热系数的计算/ 294
15.5.1 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/ 294
15.5.2 炉帮与电解质熔体和铝液熔体之间的换热系数/ 296
15.5.3 热流管法计算槽帮与电解质熔体之间的换热系数/ 297
15.5.4 计算实例/ 299
15.6铝电解过程中槽膛形状的变化/ 301
15.6.1 铝电解过程中铝液水平的变化对槽膛形状的影响/ 301
15.6.2 选用不同的内衬炭材料对槽膛形状的影响/ 304
15.7铝电解槽电压、电流变化对电解槽热平衡的影响/ 307
15.7.1 计算原理和计算方法/ 308
15.7.2 计算实例/ 310
参考文献/ 312
第16章铝电解槽的电场和磁场/ 314
16.1工业铝电解槽中的电场/ 314
16.1.1 阳极电流分布/ 314
16.1.2 电解质熔体中的电流分布/ 315
16.1.3 阴极铝液中的电流分布/ 315
16.2工业铝电解槽内的磁场/ 316
16.3铝电解槽母线的设计/ 319
16.4铝电解槽磁场的测量/ 321
16.4.1 铝电解槽磁场的热态测量/ 321
16.4.2 铝电解槽磁场的冷态测量/ 322
16.4.3 测量结果的误差分析/ 324
参考文献/ 325
第17章电解槽阴极铝液的流动/ 327
17.1国内外有关铝电解槽流场研究的现状/ 327
17.2流体力学的研究方法/ 330
17.3湍流问题的数值
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