大大提高。目前，法国有6台电流强度达500kA的电解槽在进行工业应用试验。我国第一个500kA系列的288台电解槽于2011年在甘肃连城建成、投产。
除此法外，世界各国科学家也一直在研究许多的炼铝新方法，如：电热法炼铝、氯化铝电解法、矿石直接炼铝法、高炉炼铝法、锰还原法、惰性阳极和可湿润阴极电解槽等。这些新工艺新方法有待进一步的研究完善和工业性的试验。
§1.2.2我国铝电解技术发展现状
许多突出的技术问题，与我国铝电解技术自70年代末引进160kA中间下料预焙槽技术之后，从消化国外技术开始，揭开了我国现代铝电解技术发展的序幕，以铝电解槽热电磁力特性及磁流体数学模型研究为核心，在工艺、材料、过程控制及配套技术等方面展开了广泛深入的研究工作。九十年代以来，在基础理论、大型铝电解槽开发以及工程应用取得了一系列成果，开发成功了280、320kA以上的特大型电解槽技术，使铝工业的技术进步令人注目。大容量电解槽的开发，使我国铝电解技术总体上达到了国际先进水平，电解铝工业的面貌发生了根本的改变。然而由于我们在跟踪国际电解铝技术发展过程中实现了跨越式发展这一特点，大型槽技术尚未经过生产过程的逐步完善的过程，在生产实用技术领域缺乏应有的技术积累和支撑，因此仍存在国际水平仍有较大差距[5]。
——实际运行指标差。
由于开发时间短，对我国大型铝电解槽在生产领域的深层次开发明显不足，致使实际运行指标的生产指标与国际先进水平还有较大差距。
——多数在大负荷、小电网环境下运行，安全隐患多。
铝电联营是我国电解铝企业发展的趋势之一，但同时在技术上也存在相应的问题。由于大容量电解槽一般系列规模较大(一个系列产能可达20万吨以上)，巨大的用电负荷集中在一个生产系列上(一般达40万kW以上)，电解系列生产的任何波动都会造成电网或自备电厂较大的影响，甚至威胁供电安全。
——缺乏建立在对阴极破损机理与规律透彻掌握基础上的“精细设计”技术和提高槽寿命的综合技术措施，电解槽难以达到设计寿命，早期破损率高。
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影响我国大型槽槽寿命的问题除了我国普遍认为的阴极炭素材料质量方面的原因外，电解槽的设计、筑炉材料、筑炉质量、焙烧启动、正常生产操作及生产管理等方面均存在一些问题。导致这些问题的深层次原因是，我国尚缺乏对铝电解槽破损(常称为阴极破损)机理与规律的深入掌握及在此基础上的“精细设计”技术和提高槽寿命的综合技术措施。随着电解槽容量的不断扩大，槽寿命问题就更加突出。
——缺乏先进的生产操作技术，作业成本高。
我国300kA级的特大型预焙铝电解槽投入工业应用的时间短，又不能完全照搬以前在大型预焙槽上的相关经验(这些经验也有很大局限性)。焙烧启动过程中电流分布不均的问题更突出且焙烧启动过程中的能耗大；投入运行后电解槽的物理场(电场、磁场、流场)容易波动，热平衡的维持较困难；槽电阻极易受外界的干扰而波动，阳极效应发生后熄灭困难，且由于电解槽的惯性大，一旦出现槽况波动或槽况异常现象，很难快速恢复正常。
总的来说，目前就我国电解铝整体生产状态而言，能源综合利用效率要比国际先进水平低15%左右，主要表现在：
电流效率相差2-3个百分点；吨铝电耗相差300~800kwh； 电解铝用阳极生产过程能耗相差30kg/t左右；
吨电解铝阳极消耗相差30-60kg(折合标准煤约75~150kg)； 电槽槽寿命相差1000天左右；
阳极效应系数国际先进为0.1次/天·槽以下，我国目前最好水平在0.3次/天·槽左右。
§1.2.3 世界铝电解工业技术现状
目前，电解铝工业仍以改善和提高霍尔-埃鲁法电解槽技术水平为主，着力于节能减排，降低能耗、物耗和原铝成本，在从源头上就减少气固废物料污染的同时，加强废物料废铝的无害化和资源化处理，实现资源再生和循环利用，进一步提高产品质量和扩大产品种类。
现代化预焙电解槽的电流强度继续向超大型化发展。继法国AP18和AP30型电解槽技术后，AP50技术[6]已问世。最近，俄罗斯铝业启动了电流强度为400 kA的RA400槽型电解槽系列两条。该系列是在原300 kA电解槽技术基础上开发的第二代超大型电解槽，该槽日产量3t，电流效率94%，电耗
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13800 kW·h/t，减少33%污染物。目前正在开发450~500kA电解槽,预计将开展RA500电解槽试验。600~740 kA超大容量电解槽也在开发研究中。
国外大容量(300 kA以上)电解槽阳极电流密度为0.82A/cm以上，主要经济技术指标：电流效率93%~95%，直流电耗13000~13500 kW·h/t(Al)；最先进的技术指标电流效率可达96%，电耗略低于13000 kW·h/t(Al)。
法国彼斯涅AP系列电解技术被公认为代表当今国际领先水平。其具有如下几个特点[6]：
(1)阳极电流密度较高，可达0.82A/cm以上，单位阴极面积产能大。 (2)槽电压和电解稳定性均较高,电解质过热度都较低，不超过10℃，槽膛内形中炉帮和伸腿的固相结壳厚度稳定合理，因此电流效率高，可达95%~96%，电耗可低到13000kW·h/t(Al)，槽寿命达2000天。
(3)分子比、氧化铝和阳极效应系数低，说明其设计操作和控制技术水平高。
国外铝电解的数学模型、传感器、控制和新材料等功能化技术水平较高。采用的物理场数学模型精确有效，电解槽结构设计质量高，槽电解运行稳定性好，电流效率可达95%~96%。应用了半连续传感器实时在线检测控制温度、过热度、分子比、熔体高度和氧化铝浓度。
控制水平先进，控制效应系数向零目标发展。在高电流密度、高槽电压、高电解温度条件下，通过槽电压、分子比和过热度的软件程序控制技术，实现电解槽的能量平衡、物料平衡和液固相平衡，即过热度和炉帮伸腿构成的固相电解质槽膛内型稳定合理。这样不仅电流效率高、炭耗低，而且电解槽寿命长。
开发应用抗熔体渗透的槽衬耐火材料、热电偶套管、优质炭素阴阳极、可湿润阴极和惰性阳极等新型材料。优化电解质组成，降低电解质电压降和提高电流效率。对铝电解产生的废渣、废槽衬等废物料实行有价成分再生回收并循环利用，或对其做无害化处理，减轻铝电解工业废物对环境污染。美国铝电解工业总排氟量达到0.7 kg/t(Al)水平。
为了大幅度提高电解法能量效率和减少二氧化碳排放量，国外开展力求降低阴阳极之间电压降的工业试验，采用炭阳极开沟槽、TiB2可湿润阴极、惰性阳极、导流式或双极多室式新型结构电解槽[7]等新工艺新技术新材料新
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设备。
对于可望替代现有霍尔-埃鲁特电解法的一些炼铝新工艺方法，如炭热还原法、氯化铝双极多室电解法等长远课题还在继续进行研究。
§1.3铝电解用原料与原材料
铝电解生产所需用的原材料大致分三类：原料—氧化铝；熔剂—氟化盐(包括冰晶石、氟化铝、氟化钠、氟化镁、氟化钙和氟化锂等)；预焙阳极炭块或炭糊。
§1.3.1 铝电解原料——氧化铝
氧化铝是当前冰晶石-氧化铝熔盐电解法的唯一原料，是由矿石中提炼出来的有一定粒度要求的白色粉料，流动性很好，不溶于水，能溶解在熔融的冰晶石中，熔点2050℃，真密度3.5~3.6 g/cm3，体积密度1.0 g/cm3。氧化铝有7种晶型，最常见的是α-Al2O3，又称刚玉型氧化铝。它主要是不断的补充电解质中的铝氧氟配合离子，使其保持一定范围的浓度，以保证电解的持续进行。为了取得良好的生产指标，对氧化铝的要求是非常严格的，主要体现在化学纯度和物理性能上。
(1)化学纯度
工业氧化铝通常含有98.5%的氧化铝以及二氧化硅、三氧化二铁、二氧化钛、氧化钠、氧化钙和水等少量杂质。在电解过程中，那些电位比铝正的元素的氧化物杂质，如二氧化硅、三氧化二铁都会优先还原，还原出来的 Si 和 Fe等杂质进入铝内，从而使铝的品位降低，且降低电流效率；而那些电位比铝负的元素的氧化物杂质，如氧化钠、氧化钙会分解冰晶石，使电解质组成发生改变并增加氟盐消耗量。水分会分解冰晶石，不仅产生氟化氢气体，还会增加铝液中的氢含量。P2O5等高价氧化物杂质则会降低电流效率。所以铝工业对于氧化铝的纯度提出了严格的要求。
(2)物理性能
工业氧化铝的物理性能，对于保证电解过程正常进行和提高气体净化效率，关系很大。一般要求它具有较小的吸水性，能够较多较快地溶解在熔融冰晶石里，粒度适宜、飞扬损失少，并且能够严密地覆盖在阳极炭块上，当
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氧化铝覆盖在电解质结壳上时，可起良好的保温作用。在气体净化中，要求它具有较好的活性和足够的比表面积，从而能够有效地吸收氟化氢气体。另外，氧化铝要有良好的流动性。这些物理性能取决于氧化铝晶体的晶型、形状和粒度。按照氧化铝的物理特性，可将其分成砂型、中间型和粉型三种。
砂型氧化铝呈球状，颗粒较粗，安息角小，只有30°~35°，其中α -Al2O3
含量少于10%~15%，γ-Al2O3含量较高，具有较大的活性，适于在干法净化中用来吸附 HF 气体，在半连续下料的电解槽上载氟氧化铝可用作原料，故砂型氧化铝得到广泛应用。粉型氧化铝呈片状和羽毛状，颗粒较细，安息角大，为45°，其中α-Al2O3含量达到80%。中间型氧化铝介乎两者之间。
生产每吨铝所需的Al2O3量，从理论上计算等于1889 kg。实际上由于工业氧化铝中大约含有Al2O3 98.5%，以及在运输和加料过程中有飞扬和机械损失，所以生产每吨铝所需的工业氧化铝量是1920~1940 kg。 §1.3.2 铝电解熔剂——氟化盐
铝电解熔剂包括冰晶石、氟化铝、氟化钠、氟化镁、氟化钙、氟化锂等，氧化铝可溶于由冰晶石和其他几种氟化物组成的熔剂中，构成氟盐-氧化铝熔液。
(1)冰晶石
冰晶石分天然和人造两种。天然冰晶石产于格陵兰岛，无色或雪白色，密度为2.95 g/cm3，熔点1009.2℃，在自然界中贮量有限。因此现代铝工业则使用合成的人造冰晶石，为灰白色的粉末，易黏于手，不溶于水，熔点为1012±2℃。
冰晶石的分子式为Na3AlF6，或写成3NaF·AlF3。氟化钠与氟化铝的摩尔比称为冰晶石的分子比，分子比为3时称为中性，分子比大于3时称为碱性，小于3时称为酸性，一般人造冰晶石的分子比为1.6~2.2。
冰晶石是熔剂的主要成分，它的作用第一是能较好的溶解氧化铝，并且所构成的熔体可在纯冰晶石熔点以下进行电解；第二在电解温度下，冰晶石熔液的密度比铝液密度要小10%，故电解出来的铝液能沉积在槽底上面；第三冰晶石具有良好的导电性。目前，冰晶石是铝电解生产中最理想的一种熔剂。
从理论上讲冰晶石在电解过程中是不消耗的，但实际上由于冰晶石中的
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