了得網工業技術_鋁電解槽陰極（原著第三版）

編輯推薦

本書譯自德國的Beuth Verlag GmbH出版商於2010年出版Cathodes in Aluminium Electrolysis （3rd edition），原著者和翻譯者都是國際/國內知名的專家和學者，翻譯質量上乘，是一部非常優秀的翻譯著作。本書屬於理論著作，同時有密切結合生產實際。

在鋁電解生產過程中，不僅有電解生成鋁的主反應發生，而且也存在著影響鋁電解槽陰極壽命的諸多副反應，這些副反應既有化學過程、也有電化學過程。此外，從電解槽焙燒、啟動到正常生產過程中還存在著諸多物理、化學和電化學過程對陰極材料的腐蝕與破壞。這些問題都在本書中作了詳細的分析。

本書原著由索列教授（M S?rlie）、歐耶教授（H. A. ?ye）編著。歐耶先生（H. A. ?ye）為挪威皇家科學院院士，挪威工業大學教授，為鋁電解陰極過程理論的完善和電解槽壽命的提高作出了卓越貢獻，是國際鋁工業界著名的專家和學者；索列教授（M S?rlie）是世界著名的鋁冶金專家和學者，具有豐富的生產實踐經驗。

《鋁電解槽陰極》（Cathodes in Aluminium Electrolysis）一書凝聚了歐耶先生與索列教授的眾多研究成果以及國際鋁工業的相關先進技術，是迄今為止關於鋁電解槽陰極理論和技術的一部*完整的著作，是奉獻給世界鋁工業的一份寶貴財富。

本書譯者馮乃祥教授是我國著名的冶金專家，在鋁電解方面有著傑出的成果。將本書翻譯成中文出版，以期豐富我國鋁冶金工作者對鋁電解槽陰極理論和技術的認識，為電解槽壽命的提高和我國電解鋁工業的發展作貢獻。

內容簡介

本書譯自德國保伊斯出版社（Beuth Verlag）2010年出版的“Cathodes in Aluminium Electrolysis”（第三版）。全書共分8章，內容主要包括鋁電解槽所用陰極的材料與結構、陰極焙燒與早期操作、陰極材料性能表征、陰極在電解過程中的物理變化與化學變化、陰極破損原因、廢舊陰極回收等重要方面，還涉及鋁電解槽陰極未來發展趨勢等。本書參考了大量的文獻，其中包括豐富的實驗室研究成果和工業生產的數據、圖像等信息。

本書可供高等院校有色冶金等相關專業的師生以及從事鋁用炭素材料、電解鋁的生產、設計、科研和管理工作的工程技術人員閱讀參考。

作者簡介

莫頓·索列（M S?rlie）博士是位於挪威克裡斯蒂安桑的美鋁挪威鋁業（前埃肯鋁業）的技術支持與開發中心的專家，也是特隆赫姆市挪威科技大學（NTNU）材料科學與工程繫的兼職教授。他致力於鋁電解陽極與陰極用炭素原料的基礎科學以及陽極與陰極工業技術的研究。

哈拉德A·歐耶（H. A. ·ye）博士是特隆赫姆市的挪威科技大學（NTNU）材料科學與工程繫的名譽教授，也是每年鋁冶金國際講座（International Course on Process Metallurgy of Aluminium）的導師和教授。挪威無機化學學院是世界*的鋁電解基礎研究部門，歐耶博士在該領域工作了40年。基於其突出的科學貢獻，被挪威國王封為爵士。同時歐耶博士也是國際標準委員會（ISO-226，原鋁生產材料）的主席。

第1章陰極材料性質與陰極結構
1.1緒論
1.2炭內襯
1.2.1無煙煤
1.2.2天然石墨
1.2.3人造石墨
1.2.4膠黏劑
1.2.5搗固糊
1.2.6陰極炭塊
1.2.7底部炭塊材料的選擇
1.2.8側部炭塊
1.2.9炭膠與碳質黏結劑
1.3耐火材料與保溫材料
1.3.1保溫材料

第1章陰極材料性質與陰極結構

1.1緒論

1.2炭內襯

1.2.1無煙煤

1.2.2天然石墨

1.2.3人造石墨

1.2.4膠黏劑

1.2.5搗固糊

1.2.6陰極炭塊

1.2.7底部炭塊材料的選擇

1.2.8側部炭塊

1.2.9炭膠與碳質黏結劑

1.3耐火材料與保溫材料

1.3.1保溫材料

1.3.2氧化鋁粉

1.3.3致密耐火材料

1.3.4復合或夾層保溫材料

1.3.5耐火材料和保溫材料性質

1.4防滲材料

1.4.1鋼板

1.4.2石墨片

1.4.3玻璃質

1.4.4磚

1.4.5整體澆注塊

1.4.6干式防滲料

1.5鋼殼與托架

1.6陰極安裝（築爐）

1.6.1耐火層和保溫層

1.6.2陰極鋼棒組裝

1.6.3安裝底部炭塊

1.6.4側部內襯

1.6.5搗固糊部分

1.7陰極模型計算

1.8可濕潤陰極

1.8.1介紹

1.8.2TiB2材料性質

1.8.3工業試驗

參考文獻

第2章焙燒、啟動與早期操作

2.1焙燒與啟動

2.1.1焙燒方法

2.1.2搗固糊

2.1.3鋁液焙燒

2.1.4陽極焙燒

2.1.5電阻焙燒

2.1.6火焰焙燒

2.1.7電加熱器焙燒

2.1.8熔融電解質（冷啟動）

2.1.9焙燒方法的比較

2.1.10焙燒效果

2.1.11內襯材料的位移

2.2電解槽啟動和電解質侵蝕（吸食）期

2.3電解槽早期操作

2.4電解槽正常操作

2.4.1電解溫度與分子比

2.4.2熱平衡與結殼形成

2.4.3衝蝕坑與裂紋

2.5槽壽命預測

參考文獻

第3章化學反應與腐蝕

3.1氣化與其他化學反應

3.1.1炭內襯氧化

3.1.2槽殼的氧化與脫落

3.2碳化鋁的形成

3.3磨蝕的實驗室研究

3.4工業電解槽的磨蝕

3.5炭內襯的化學反應

3.5.1電解質和鈉的滲透

3.5.2化學反應熱力學基礎

3.5.3滲透（反應）模型的實驗驗證

3.5.4工業電解槽炭陰極中的電解質滲透與反應

3.5.5側部碳質材料中鈉的反應

3.5.6陰極中的Li和K

3.5.7NaCN的生成

3.6與陰極鋼棒反應

3.7耐火材料和保溫材料中的化學反應

3.7.1電解質組分在耐火材料中的滲透

3.7.2電解質與硅酸鋁耐火材料的反應

3.7.3鈉蒸氣與硅酸鋁耐火材料的反應

3.7.4電解質和鈉共同反應

3.7.5與其他耐火材料的反應

3.7.6與鋁液反應

3.7.7與側壁陶瓷材料反應

參考文獻

第4章電解過程中的物理變化

4.1熱膨脹和收縮

4.1.1陰極炭塊

4.1.2搗固糊

4.1.3陰極鋼棒和槽殼

4.1.4復合熱膨脹

4.1.5耐火材料和保溫材料

4.2導電性能

4.2.1初始內襯材料的導電性能

4.2.2導電性能的過時變化

4.3熱導率

4.3.1初始陰極炭塊材料的熱導率

4.3.2炭塊熱導率隨時間的變化

4.3.3炭塊材料電阻率和熱導率的交互作用

4.3.4耐火材料的熱導率

4.4鈉膨脹

4.4.1自由膨脹

4.4.2受壓膨脹

4.5陰極底部隆起

4.5.1垂直膨脹梯度

4.5.2鹽析

4.5.3材料轉化

4.5.4位移約束

4.6機械強度

參考文獻

第5章陰極材料性能表征

5.1簡介

5.2炭素材料的性能標準化測試方法

5.2.1陰極、搗固糊和耐火材料的ISO實驗方法

5.2.2耐火材料和保溫材料的標準測試方法

5.2.3非標準表征方法

5.3綜述

5.3.1測試方法

5.3.2標準測試方法（炭塊）

5.3.3炭塊校檢

5.3.4非標準測試方法（炭塊）

5.3.5搗固糊

5.3.6陰極材料的性能選擇

參考文獻

第6章陰極破損

6.1引言

6.2陰極解剖

6.3不均勻加熱和熱衝擊

6.4搗固部分的安裝質量問題

6.5搗固糊的收縮

6.6陰極鋼棒導致的破損

6.7電解槽鋼殼和內襯的相互作用

6.8鈉滲透

6.9鋼殼破損

6.10瞬間高溫和滲透

6.11側壁結殼動力學

6.12陰極的過度保溫

6.13鈉膨脹和陰極表皮脫落

6.14側壁的空氣氧化

6.15側壁腐蝕

6.16底部炭塊的氧化破損

6.17底部炭塊的磨蝕

6.18衝蝕坑的形成

6.19陰極下部的鋁熱反應

6.20電解槽的臨時停槽與重新啟動

6.21電解槽的維修

參考文獻

第7章廢舊電解槽內襯材料的回收處理

7.1廢舊電解槽內襯材料

7.1.1背景

7.1.2廢舊電解槽內襯材料的處理

7.1.3水解反應

7.2SPL處理方法綜述

7.3處理、回收和利用技術

7.3.1燃燒發電技術

7.3.2鋼鐵工業中的造渣劑和金屬添加劑

7.3.3水泥制造業中燃料和礦物添加劑

7.3.4轉化為惰性填埋材料

7.3.5紅磚陶瓷產品

7.3.6石棉生產中添加SPL技術

7.3.7浸出工藝回收氟化物

7.3.8高溫水解

7.3.9高溫硫解

7.3.10高溫硅解

7.3.11石墨回收

7.3.12陰極炭塊添加劑

7.3.13陽極炭塊添加劑

7.3.14金屬鋁的選擇性回收

7.4處理廢舊電解槽內襯材料的基本觀點

7.4.1填埋

7.4.2運輸

7.4.3剝落和分揀

7.4.4直接回收

7.4.5新的工藝過程開發

參考文獻

第8章趨勢與發展

8.1總體趨勢

8.2陰極炭材料

8.3搗固糊

8.4膠

8.5側壁材料

8.6耐火材料

8.7鋼殼

8.8廢陰極處理

8.9數學模型

8.10可濕潤性陰極

參考文獻

索引

前言

中文版序
ADDENDUM from Professor Harald A. ?ye，Trondheim，May 2013
I thank Professor Feng Naixiang very much for taking the initiative to translate our book.
I have greatly appreciated my multiple visits to China and the cooperation with Chinese scientists.My first visit to China was to Professor Qui Zhuxian at North East University in 1984.I have watched the tremendous development in China as a country and of the improvement of the Chinese aluminium technology.My main Chinese cooperation partners have been Professor Qui Zhuxian，Professor Feng Naxiang，Professor Xue Jilai and Dr.Liao Xianan.I have appreciated very much their knowledge andtheir warm hospitality when in China.I have additionally been pleased with their introduction to Chinese culture.They have all also spent time in Trondheim with me and you can find reference to their work in the book.中文版序

ADDENDUM from Professor Harald A. ?ye，Trondheim，May 2013

I thank Professor Feng Naixiang very much for taking the initiative to translate our book.

I have greatly appreciated my multiple visits to China and the cooperation with Chinese scientists.My first visit to China was to Professor Qui Zhuxian at North East University in 1984.I have watched the tremendous development in China as a country and of the improvement of the Chinese aluminium technology.My main Chinese cooperation partners have been Professor Qui Zhuxian，Professor Feng Naxiang，Professor Xue Jilai and Dr.Liao Xianan.I have appreciated very much their knowledge andtheir warm hospitality when in China.I have additionally been pleased with their introduction to Chinese culture.They have all also spent time in Trondheim with me and you can find reference to their work in the book.

My last visit 2012 in China by invitation by Professor Feng，sponsored by “The National Natural Science Foundation of China” was specially rewarding.The newest technology was demonstrated showing that China is in the forefront in aluminium technology both with respect to modernization and innovation.

I also thank Beuth Verlag，Germany for the release of the book for Chinese translation.

我非常感謝馮乃祥教授對我們的書進行翻譯。

我非常榮幸能夠多次到中國參觀並與中國科學家合作。1984年受東北工學院（現東北大學）邱竹賢教授邀請，我首次來到中國。這些年，我已看到了中國發生的巨大變化和中國鋁工業的快速發展。在中國，我的主要合作伙伴是邱竹賢教授、馮乃祥教授、薛濟來教授和廖賢安博士。我十分感激在中國期間他們的熱情好客以及給予的理解和支持。他們介紹的中國文化我也非常喜歡。他們也都在特隆赫姆與我一起共事過，讀者可以在本書中看到他們的研究成果。

我近一次到中國訪問是在2012年受馮乃祥教授邀請，由中國國家高技術研究發展計劃項目支持，這是一次特別有意義的訪問。的技術顯示出中國鋁工業技術在現代化與創新方面走在了世界前列。

我也感謝德國Beuth Verlag出版社對本書的中文翻譯授權。

哈拉德 A.歐耶教授

2013年5月於特隆赫姆

譯者序

鋁電解槽是冰晶石-氧化鋁熔鹽電解的主體設備，而陰極又是該主體設備的核心部分。冰晶石-氧化鋁熔鹽電解由鋁離子轉變成金屬鋁的電極反應在鋁電解槽的陰極上進行。在鋁電解生產過程中，不僅有電解生成鋁的主反應發生，而且也存在著影響鋁電解槽陰極壽命的諸多副反應，這些副反應既有化學過程、也有電化學過程。此外，從電解槽焙燒、啟動到正常生產過程中還存在著諸多物理、化學和電化學過程對陰極材料的腐蝕與破壞。這些問題都在《Cathodes in Aluminium Electrolysis（3rd edition）》中作了詳細的分析。

《Cathodes in Aluminium Electrolysis（3rd edition）》由索列教授（M. S?rlie）、歐耶教授

（H. A. ?ye）編著，德國的Beuth Verlag出版社於2010年出版。相對於前一版，該版在內容上有了更大幅度的充實。

歐耶教授（H. A. ?ye）為挪威皇家科學院院士，挪威工業大學教授，致力於鋁冶金化學、炭素材料等方面的研究工作。為鋁電解陰極過程理論的完善和電解槽壽命的提高作出了卓越貢獻，是國際鋁工業界著名的專家和學者，享有極高的學術聲譽，深受業內學者的尊敬和愛戴。歐耶教授也是我的恩師，我曾於20世紀90年代初在歐耶教授的實驗室從事研究工作。期間有幸得到歐耶教授學術上的指導和生活上的幫助，至今受益匪淺。

索列教授（M. S?rlie）既是歐耶教授的同事和合作者，也是歐耶教授的學生之一，他是世界著名的鋁冶金專家和學者，具有豐富的生產實踐經驗。

《鋁電解槽陰極》（Cathodes in Aluminium Electrolysis）一書凝聚了歐耶教授與索列教授的眾多研究成果以及國際鋁工業的相關先進技術，是迄今為止關於鋁電解槽陰極理論和技術的一部完整的著作，是奉獻給世界鋁工業的一份寶貴財富。

我們將此書翻譯成中文，以期豐富我國鋁冶金工作者對鋁電解槽陰極理論和技術的認識，為電解槽壽命的提高和我國電解鋁工業的發展作貢獻。

感謝歐耶教授和出版商同意將此書翻譯成中文，並由化學工業出版社出版。同時感謝歐耶教授為此書中文版撰寫了序言。

為了便於讀者理解，特將部分原版彩色插圖放至文後。

由於譯者水平有限，錯誤和不當之處在所難免，敬請批評和指正。

馮乃祥

2014年6月

英文版序

本書的主要目的是就如何獲得壽命長、運行穩定的鋁電解槽給出建議。鋁電解槽中的陰極（炭質部分、導電體、耐火材料、保溫材料和槽殼）在焙燒和連續的運行期間由於化學反應或物理變化而逐漸破損。盡管設計與操作合理的電解槽能夠維持8～10年，但是物理與化學破損仍會縮短槽壽命，導致額外的大修費用。

本書結合基本原理、實驗室測試和工廠生產經驗，討論早期破損的原理以及預防措施，同時也介紹了質量控制的測試方法，其中的很多方法如今已成為ISO標準。本書專門列出一章討論廢舊電解槽內襯的處理問題。

當前的第三版在第二版的基礎上進行了完善，包含了1994年以來的新成果。與之前版本一樣，本書仍然強調量化信息。另外作者盡量給出結論與相關建議以滿足讀者需求。本書涵蓋了大量的電解槽破損資料與破損原因，在這些章節中詳細介紹了一些新的案例。

本書不僅保持了在1994年版本中給出的結果，也編入了此後出現的如下重要的擴展內容：使用石墨質和石墨化陰極炭塊的大型電解槽；為增產進行的電流強化；臨時停槽與二次啟動。

本書所引用的哈拉德A.歐耶教授的大部分研究成果都得到了挪威鋁工業和挪威研究委員會的支持。莫頓·索列博士與在美鋁莫斯瓊（前埃肯鋁業莫斯瓊）和美鋁利斯塔（前埃肯鋁業利斯塔）的同事之間的交流是有重大價值的。我們對他們表示感激。

我們感謝安妮·雅戈托英女士，她精心完成了本書的打字、校對與排版工作。

莫頓·索列和哈拉德A.歐耶

2010年5月於特隆赫姆

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