Металлургия алюминия. Технология, электроснабжение, автоматизация

Г.В. Галевский 
Н.М. Кулагин 
М.Я. Минцис 
Г.А. Сиразутдинов 

МЕТАЛЛУРГИЯ АЛЮМИНИЯ 

ТЕХНОЛОГИЯ, ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ,  
АВТОМАТИЗАЦИЯ 

Учебное пособие 

4-е издание, стереотипное 

Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению "Металлургия" 

Москва 
Издательство «ФЛИНТА» 

2017 

УДК 669.2 
ББК 34.33 

М54  

РЕЦЕНЗЕНТЫ: 
кафедра металлургии Юргинского технологического института 
ТПУ доктор технических наук, профессор В.А. Крюковский 

    Металлургия алюминия. Технология, электроснабжение, автоматизация 
[Электронный ресурс]: учебное пособие для вузов. / Г.В. Галевский, Н.М. 
Кулагин, М.Я. Минцис, Г.А. Сиразутдинов. – 4-е изд., стер.– М. : Флинта, 2017. – 
529 с., ил. 

ISBN  978-5-9765-0316-8

В учебном пособии рассмотрены свойства и применение алюминия, способы 
его производства, строение и свойства электролита, основы электролиза криолитглиноземных реагентов, применение глинозема в производстве алюминия электролизом, конструкции электролизеров и основы их расчета, распределение тока, электромагнитные и газо-гидродинамические явления в электролизере, транспорт глинозема 
и системы автоматизированного питания глиноземом, управление процессом электролиза (АСУ ТП), серия электролиза. 
Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлению 150100 – Металлургия, аспирантов и преподавателей. Может быть полезно широкому кругу инженерно-технических и научных работников, специализирующихся в области металлургии алюминия. 

ISBN  978-5-9765-0316-8
Г.В. Галевский, Н.М
© 
. Кулагин, 

 
 
М.Я. Минцис, Г.А. Сиразутдинов, 2008 

©  Издательство «ФЛИНТА», 2017 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие .......................................................................................................... 9 

1 
Общие сведения .......................................................................................... 12 

1.1 
Основные минералы и руды алюминия ................................................. 12 
1.2 
Свойства алюминия ................................................................................. 16 
1.2.1 
Физические свойства ............................................................................. 17 
1.2.2 
Химические свойства............................................................................. 20 
1.2.3 
Механические свойства ......................................................................... 22 
1.3 
Применение алюминия ............................................................................ 23 
1.3.1 
Деформируемые сплавы ....................................................................... 25 
1.3.2 
Литейные сплавы ................................................................................... 28 
1.3.3 
Другие виды изделий из алюминия ...................................................... 29 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 34 
Библиографический список .................................................................................. 34 

2 
Способы производства алюминия .......................................................... 35 

2.1 
История развития алюминиевой промышленности .............................. 35 
2.1.1 
Алюминиевая промышленность России .............................................. 36 
2.1.2 
Производство алюминия ....................................................................... 39 
2.2 
Основы электролитического производства алюминия ......................... 41 
2.3 
Альтернативные способы получения алюминия ................................... 46 
2.3.1 
Электротермическое получение алюминиево-кремниевых 
сплавов ................................................................................................... 46 
2.3.2 
Субгалогенидный процесс .................................................................... 49 
2.3.3 
"Тот-процесс" .......................................................................................... 50 
2.3.4 
Электролиз хлоридных расплавов ....................................................... 52 
2.4 
Производство и применение вторичного алюминия ............................. 56 
Контрольные вопросы ........................................................................................... 62 
Библиографический список .................................................................................. 62 

3 
Строение и свойства электролита ........................................................... 64 

3.1 
Основные компоненты электролитов и их строение ............................. 64 
3.1.1 
Основные компоненты электролитов .................................................. 64 
3.1.2 
Строение компонентов электролита .................................................... 66 
3.2 
Диаграммы плавкости солевых систем .................................................. 69 
3.2.1 
Система (NaF – AlF3) ............................................................................. 70 
3.2.2 
Система (Na3AlF6 – Al2O3) ...................................................................... 71 
3.2.3 
Система (Na3AlF6 – AlF3 – Al2O3) ........................................................... 73 
3.3 
Способы выражения криолитового отношения ..................................... 75 
3.4 
Физико-химические свойства электролитов .......................................... 76 
3.4.1 
Плотность ............................................................................................... 77 
3.4.2 
Температура ликвидуса ........................................................................ 79 

Оглавление 

4 

3.4.3 
Электропроводность .............................................................................. 79 
3.4.4 
Межфазовое натяжение ........................................................................ 82 
3.4.5 
Вязкость .................................................................................................. 83 
3.4.6 
Растворимость и скорость растворения глинозема ........................... 84 
3.4.7 
Летучесть электролита .......................................................................... 85 
3.4.8 
Теплопроводность ................................................................................. 86 
3.5 
Влияние добавок на свойства электролита ........................................... 87 
3.5.1 
Фторид кальция (CaF2) .......................................................................... 88 
3.5.2 
Фторид алюминия (AlF3) ........................................................................ 89 
3.5.3 
Фторид лития (LiF) ................................................................................. 90 
3.5.4 
Фторид магния (MgF2) ............................................................................ 91 
3.6 
Потери фторидов и пути их уменьшения ............................................... 93 
3.6.1 
Испарение ............................................................................................... 94 
3.6.2 
Увлечение электролита газом .............................................................. 96 
3.6.3 
Образование фторида водорода (HF) и выделение 
перфтороуглеродов ............................................................................... 97 
3.6.4 
Потери электролита со снимаемой угольной пеной и 
химическими реакциями с примесями в глинозёме ........................... 98 
3.6.5 
Динамика изменения концентрации AlF3 в электролите .................... 99 
3.6.6 
Возможные пути уменьшения потерь фтора из электролизёра ...... 100 
Контрольные вопросы ......................................................................................... 101 
Библиографический список ................................................................................ 101 

4 
Основы электролиза криолит-глиноземных расплавов ................... 103 

4.1 
Термодинамика основных реакций ....................................................... 103 
4.1.1 
Термодинамические системы и функции .......................................... 103 
4.1.2 
Второй закон термодинамики ............................................................. 110 
4.2 
Основные реакции на электродах ........................................................ 114 
4.3 
Напряжение на электролизере ............................................................. 118 
4.3.1 
Электрохимические составляющие напряжения .............................. 122 
4.4 
Анодный эффект (АЭ) ............................................................................ 127 
4.4.1 
Основные причины возникновения АЭ .............................................. 127 
4.4.2 
Последствия анодного эффекта ........................................................ 129 
4.5 
Катодный выход по току ........................................................................ 129 
4.6 
Классификация потерь металла ........................................................... 132 
4.7 
Математические модели выхода по току ............................................. 137 
4.8 
Выход по току на промышленных электролизерах ............................. 140 
4.9 
Технико-экономические показатели процесса ..................................... 146 
4.9.1 
Электротехнологические показатели ................................................. 146 
4.9.2 
Расход углерода .................................................................................. 148 
Контрольные вопросы ......................................................................................... 152 
Библиографический список ................................................................................ 153 

5 
Глинозем в производстве алюминия электролизом ......................... 155 

5.1 
Физико-химические свойства глинозема .............................................. 155 

Оглавление 

5 

5.2 
Растворение глинозема в электролите ................................................ 164 
5.2.1 
Поведение глинозема при добавлении его в электролит ................ 165 
5.2.2 
Влияние технологических факторов .................................................. 171 
5.3 
Коржи и осадки ....................................................................................... 172 
5.3.1 
Механизм образования, структура и химсостав корок ..................... 172 
5.3.2 
Свойства корок ..................................................................................... 173 
5.3.3 
Растворение корок ............................................................................... 175 
5.3.4 
Образование осадков .......................................................................... 176 
5.3.5 
Состав и свойства осадков ................................................................. 177 
5.3.6 
Глинозем на границе "металл-электролит" ....................................... 179 
5.3.7 
Влияние температуры и состава электролита на образование 
осадка ................................................................................................... 179 
5.3.8 
Растворение осадков ........................................................................... 181 
5.4 
Влияние концентрации глинозема на показатели процесса .............. 182 
5.4.1 
Влияние концентрации глинозема на выход по току ........................ 182 
5.4.2 
Влияние концентрации глинозема на расход электроэнергии ........ 184 
5.4.3 
Основные принципы контроля питания ванн глиноземом ............... 187 
5.5 
Вторичный глинозем .............................................................................. 188 
5.5.1 
Механизм адсорбции HF глиноземом ................................................ 189 
5.5.2 
Свойства вторичного глинозема ........................................................ 191 
5.5.3 
Поведение вторичного глинозема в ванне ........................................ 193 
5.5.4 
Удаление примесей из вторичного глинозема .................................. 194 
Контрольные вопросы ......................................................................................... 195 
Библиографический список ................................................................................ 196 

6 
Конструкции электролизеров ................................................................. 197 

6.1 
Классификация электролизеров ........................................................... 197 
6.1.1 
Электролизеры БТ ............................................................................... 199 
6.1.2 
Электролизеры ВТ ............................................................................... 200 
6.1.3 
Электролизеры ОА .............................................................................. 203 
6.2 
Катодное устройство .............................................................................. 205 
6.2.1 
Катодный кожух .................................................................................... 206 
6.2.2 
Футеровка катодного кожуха ............................................................... 208 
6.2.3 
Новые материалы для катодной футеровки ..................................... 223 
6.3 
Анодное устройство ............................................................................... 226 
6.3.1 
Анодное устройство электролизера с обожженными блоками ....... 226 
6.3.2 
Самообжигающиеся аноды ................................................................. 229 
6.4 
Системы сбора газов ............................................................................. 235 
6.4.1 
Система укрытий и сбора газов на электролизерах БТ ................... 237 
6.4.2 
Система укрытий и сбора газов на электролизерах ВТ ................... 238 
6.4.3 
Система укрытий и сбора газов на электролизерах с ОА ................ 240 
6.5 
Ошиновка электролизера ...................................................................... 242 
6.6 
Электролизеры с инертными анодами ................................................. 244 
Контрольные вопросы ......................................................................................... 246 
Библиографический список ................................................................................ 247 

Оглавление 

6 

7 
Распределение тока в электролизере ................................................... 250 

7.1 
Распределение тока и потери энергии ................................................. 250 
7.1.1 
Соединения резисторов ...................................................................... 251 
7.1.2 
Потери мощности при различных схемах соединения ..................... 253 
7.1.3 
Распределение тока и потери мощности .......................................... 254 
7.2 
Измерение падения напряжения на электролизере ........................... 257 
7.3 
Распределение тока в аноде ................................................................. 258 
7.3.1 
Факторы, влияющие на распределение тока в аноде ...................... 259 
7.3.2 
Распределение тока и падение напряжения в аноде....................... 261 
7.3.3 
Фактическое распределение тока в штырях ..................................... 265 
7.3.4 
Влияние распределения тока на работу анода ................................ 266 
7.3.5 
Пути улучшения распределения тока в аноде .................................. 268 
7.4 
Распределение тока в электролите и металле ................................... 270 
7.4.1 
Падение напряжения в электролите .................................................. 270 
7.4.2 
Пути улучшения распределения тока в электролите ....................... 272 
7.5 
Распределение тока в подине ............................................................... 273 
7.5.1 
Исследования распределения тока в подине ................................... 274 
7.5.2 
Влияние распределения тока на работу подины .............................. 279 
7.6 
Распределение тока в ошиновке .......................................................... 281 
7.6.1 
Катодная ошиновка электролизера С-8БМ ....................................... 281 
7.6.2 
Анодная ошиновка электролизеров С8БМ ........................................ 283 
7.6.3 
Конструктивные особенности ошиновки ............................................ 285 
7.6.4 
Пути улучшения распределения тока в ошиновке ............................ 287 
Контрольные вопросы ......................................................................................... 290 
Библиографический список ................................................................................ 291 

8 
Электромагнитные и газо-гидродинамические явления в 
электролизере ............................................................................................ 293 

8.1 
Газовая гидродинамика ......................................................................... 293 
8.2 
Основы электромагнетизма .................................................................. 296 
8.3 
Магнитное поле в расплаве ................................................................... 300 
8.3.1 
Магнитное поле в алюминиевом электролизере .............................. 300 
8.3.2 
Влияние магнитных материалов ........................................................ 302 
8.3.3 
Направление тока и поля в расплаве ................................................ 303 
8.4 
Распределение тока в расплаве ........................................................... 305 
8.5 
Электромагнитные силы в металле ...................................................... 309 
8.6 
Гидродинамика, массо- и теплоперенос .............................................. 312 
8.7 
Роль ошиновки в оптимизации магнитного поля ................................. 314 
Контрольные вопросы ......................................................................................... 321 
Библиографический список ................................................................................ 322 

9 
Основы расчета электролизера ............................................................. 323 

9.1 
Выбор силы тока и плотности тока ....................................................... 324 
9.1.1 
Выбор силы тока .................................................................................. 325 
9.1.2 
Выбор плотности тока ......................................................................... 326 

Оглавление 

7 

9.2 
Конструктивный расчет ванны .............................................................. 328 
9.2.1 
Расчет основных размеров электролизера ....................................... 328 
9.2.2 
Выбор конструкции и размеров подины ............................................ 332 
9.3 
Расчет ошиновки .................................................................................... 336 
9.4 
Материальный баланс ........................................................................... 341 
9.4.1 
Приход материалов ............................................................................. 341 
9.4.2 
Расход материалов .............................................................................. 342 
9.5 
Электрический баланс ........................................................................... 343 
9.6 
Энергетический баланс .......................................................................... 354 
9.6.1 
Методика составления и расчета баланса ........................................ 356 
9.6.2 
Приходные статьи энергетического баланса .................................... 357 
9.6.3 
Расходные статьи энергетического баланса..................................... 359 
9.6.4 
Тепловые потери с конструкций электролизера ............................... 362 
9.6.5 
Потери тепла через верх и дно ванны ............................................... 367 
9.6.6 
Потери тепла с боковых сторон .......................................................... 368 
Контрольные вопросы ......................................................................................... 371 
Библиографический список ................................................................................ 372 

10 Транспорт глинозема и системы АПГ ................................................... 374 

10.1 
Разгрузка глинозема и транспортировка его в цех электролиза ....... 374 
10.2 
Подача глинозема к электролизерам ................................................... 379 
10.3 
История создания систем АПГ .............................................................. 389 
10.4 
Принципы построения систем АПГ ....................................................... 393 
10.5 
Стратегия управления питанием .......................................................... 395 
10.6 
Типы систем АПГ .................................................................................... 399 
10.7 
Устройство систем АПГ различных типов ............................................ 400 
10.8 
Эксплуатация систем АПГ ..................................................................... 407 
10.9 
Базовая уставка АПГ .............................................................................. 413 
10.10 Циклограммы работы АПГ ..................................................................... 415 
10.11 Расчет расхода сжатого воздуха .......................................................... 417 
Контрольные вопросы ......................................................................................... 418 
Библиографический список ................................................................................ 419 

11 Управление процессом электролиза (АСУ ТП) .................................... 421 

11.1 
Цели и задачи АСУ ТП электролиза ..................................................... 421 
11.2 
Контроль параметров с помощью АСУ ТП ........................................... 430 
11.3 
Регулирование напряжения на электролизёре ................................... 431 
11.4 
Флуктуации приведенного напряжения ................................................ 436 
11.5 
Системы АСУ ТП .................................................................................... 439 
11.5.1 
Принципы построения АСУ ТП ........................................................... 440 
11.5.2 
Развитие систем АСУ ТП .................................................................... 443 
Контрольные вопросы ......................................................................................... 453 
Библиографический список ................................................................................ 454 

Оглавление 

8 

12 Серия электролиза .................................................................................... 455 

12.1 
Производительность серии электролиза ............................................. 455 
12.2 
Корпуса электролиза .............................................................................. 457 
12.3 
Механизация обслуживания электролизеров ...................................... 465 
12.4 
Электроснабжение серий электролизеров .......................................... 467 
12.4.1 
Требования, предъявляемые к электроснабжению 
алюминиевых заводов ......................................................................... 468 
12.4.2 
Схемы электроснабжения завода ...................................................... 469 
12.4.3 
Схемы выпрямительных агрегатов .................................................... 471 
12.4.4 
Выпрямительные агрегаты ................................................................. 473 
12.4.5 
Внешние характеристики серии и выпрямительного агрегата ........ 479 
12.5 
Регулирование силы тока серии ........................................................... 481 
12.5.1 
Регулирование напряжения на первичной стороне 
трансформатора. ................................................................................. 482 
12.5.2 
Плавное регулирование выпрямленного тока .................................. 487 
12.6 
Измерение электрических параметров серии ..................................... 492 
12.6.1 
Измерение потребляемой технологической энергии ....................... 493 
12.6.2 
Измерение напряжения серии ............................................................ 496 
12.6.3 
Измерение тока серии ......................................................................... 496 
12.6.4 
Измерение обратной ЭДС серии ........................................................ 503 
12.7 
Электробезопасность на серии электролиза ....................................... 507 
Контрольные вопросы ......................................................................................... 517 
Библиографический список ................................................................................ 517 

Перечень рисунков ........................................................................................... 520 

Перечень таблиц ............................................................................................... 525 

Предисловие 

Алюминий является важнейшим цветным металлом, по объему производства намного опережающим другие цветные металлы, а среди конструкционных материалов уступающим только стали. Стабильно высокий спрос 
на алюминий и, соответственно, высокие темпы прироста производства обусловлены его уникальными физико-химическими свойствами, благодаря которым он нашел широкое применение в электротехнике, авиа- и автостроении, транспорте, производстве бытовой техники, строительстве, упаковке пищевых продуктов и других отраслях. 
Алюминиевая промышленность России занимает доминирующее положение в производстве цветных металлов в стране и по выпуску первичного 
алюминия находится в группе мировых лидеров. В условиях ориентации российских производителей алюминия на мировой рынок и транснационального 
характера их производственной и экономической деятельности, прогнозируемого в среднесрочной перспективе падения цен на первичный алюминий актуальными становятся вопросы снижения себестоимости его производства 
для сохранения существующей в отрасли нормы прибыли. Для сохранения 
конкурентоспособности российским производителям необходимо предпринять срочные усилия по модернизации основных производственных мощностей и совершенствованию технологии, строительству и пуску новых современных высокоавтоматизированных и механизированных предприятий, что 
позволит значительно поднять экономическую эффективность и экологическую безопасность производства алюминия. Действительно, инвестиционные 
планы объединенной компании "РУСАЛ" предусматривают модернизацию и 
расширение производственных мощностей алюминиевых предприятий Сибири, завершение в 2007 г. строительства предприятия мирового уровня – Хакасского алюминиевого завода, строительств нового энергометаллургического комплекса – Богучанской ГЭС и алюминиевого завода, а в дальнейшем - 
Тайшетского и Усть-Илимского заводов. 
В условиях изменяющейся стратегии отрасли возникают новые задачи 
в сфере подготовки и переподготовки специалистов, что обусловливает необходимость создания адекватных учебно-информационных ресурсов. Авторским коллективом, сформировавшимся на базе кафедры металлургии 
цветных металлов Сибирского государственного индустриального университета, в течение последних 10 лет подготовлено и издано 10 учебных пособий, 
охватывающих различные аспекты электролитического производства алюми

Предисловие 

10 

ния. В их числе – "Металлургия алюминия" (1-е и 2-е изд-е, 1999 г., 2000 г.), 
"Металлургия вторичного алюминия" (1998 г.), "Технология производства 
электродных масс для алюминиевых электролизеров" (1999 г.), "Экология и 
утилизация отходов в производстве алюминия" (1-е и 2-е изд-е, 1997 г., 2005 
г.), "Металлургия алюминия. Мировое и отечественное производство: оценка, 
тенденции и прогнозы" (2004 г.), "Производство алюминиевых сплавов" (2006 
г.), "Современные методы анализа и контроля в металлургии алюминия. В 3-х 
томах" (2006 г.). Учебные пособия оказались своевременными и достаточно 
востребованными. В настоящее время они используются в образовательной, 
научной и проектно-производственной деятельности более чем 80 разнопрофильными организациями России, Украины, Таджикистана, Казахстана, 
Азербайджана, Венгрии: органами государственного надзора Российской Федерации, центральными и региональными библиотеками, высшими учебными 
заведениями, институтами и центрами подготовки и повышения квалификации кадров промышленности, научно-исследовательскими и проектными организациями, промышленными предприятиями России и стран СНГ. Среди 
изданных учебных пособий научно-техническая общественность России и ряда зарубежных стран особенно высоко оценила содержание, качественный 
уровень и полиграфическое исполнение учебного пособия "Металлургия 
алюминия", что предопределило необходимость его 2-х изданий в 1999 г. и 
2000 г. Оно удостоено медалей региональных сибирских выставок "Образование. Карьера. Занятость", "Книга Сибири" и признано победителем регионального конкурса Администрации Кемеровской области "Лучшее учебное 
пособие – 2003". 
В то же время в последние 10 лет произошли значительные изменения в подходах к содержанию и направлению модернизации действующих 
алюминий-производящих предприятий, проектированию и строительству новых. Это предопределило необходимость актуализации содержания учебного 
пособия "Металлургия алюминия" и подготовки его 3-его издания. Учебное 
пособие существенно расширено и по своей структуре заметно отличается от 
предыдущих изданий. Авторы сочли необходимым впервые включить в него 
такие вопросы, как влияние свойств глинозема на технологию электролиза, 
транспортирование глинозема и его дозирование в электролит, методические 
основы определения геометрических размеров электролизеров, распределение тока в электролизере, электроснабжение серий электролиза и методы 
поддержания их токового режима, электробезопасность в условиях сверхдлинных серий, автоматизированные системы управления технологическими