Оборудование и технология алюминиевого производства

УДК 669.71
ББК 34.33 

Г 15 

Рецензенты: 

кафедра металлургии цветных металлов Иркутского национального иссле
довательского технического университета; 

заведующий кафедрой, доктор технических наук, профессор
Н.В. Немчинова; 

главный научный сотрудник Института вычислительного  

моделирования КНЦ СО РАН, доктор технических наук, профессор
Г.Г. Крушенко 

Г 15    Оборудование и технология алюминиевого производства

[Электронный ресурс] : учеб. пособие /  Г.В. Галевский, М.Я. 
Минцис, В.В. Руднева. — 2-е изд., стер. – М. : ФЛИНТА,
2017. – 252 с. : ил. 
ISBN   978-5-9765-3284-7

В учебном пособии рассмотрены свойства алюминия, сырье для его 
производства, состав и свойства электролита и физико-химические основы 
процесса электролиза, конструкции электролизеров, их монтаж и ремонт, 
обжиг и пуск, технологическое обслуживание, серия электролиза и её 
электроснабжение, транспорт и подача глинозема к электролизерам. 
Сведения об оборудовании и технологии электролитического производства 
алюминия дополнены контрольными вопросами по каждому разделу, 
примерами выполнения технологических расчетов и заданиями для 
самостоятельного анализа и решения. 

Учебное пособие предназначено для студентов, магистрантов, 
аспирантов, преподавателей вузов и инженерно-технических работников, 
специализирующихся в области металлургии. 

УДК 669.71 
ББК 34.33

Печатается по решению редакционно-издательского совета
Сибирского государственного индустриального университета 

ISBN   978-5-9765-3284-7
© Галевский Г.В., М.Я. Минцис,
     Руднева В.В., 2017

© Издательство «ФЛИНТА», 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
Введение ............................................................................................... 5 

1 Свойства алюминия .......................................................................... 7 

1.1 Общие сведения ........................................................................ 7 
1.2 Физические свойства твердого алюминия ............................ 7 
1.3 Физические свойства жидкого алюминия ........................... 10 
1.4 Химические свойства ............................................................. 11 
1.5 Механические свойства ......................................................... 13 
1.6 Качество алюминия ................................................................ 14 
Рекомендуемая литература ......................................................... 15 

2 Сырье для производства алюминия .............................................. 16 

2.1 Общие сведения ...................................................................... 16 
2.2 Глинозем.................................................................................. 17 
2.3 Фториды .................................................................................. 21 
2.4 Оксиды ..................................................................................... 24 
2.5 Углеродистые материалы ...................................................... 26 
2.6 Токсикологическая оценка сырья ......................................... 28 
Рекомендуемая литература ......................................................... 32 

3 Основы электролиза алюминия .................................................... 34 

3.1 Основные принципы термодинамики .................................. 34 
3.2 Основные электродные реакции ........................................... 43 
3.3 Напряжение на электролизере .............................................. 44 
3.4 Электрохимические составляющие напряжения ................ 46 
3.5 Анодный эффект (АЭ) ........................................................... 49 
3.6 Катодный выход по току ....................................................... 50 
3.7 Выход по току на промышленных электролизерах ........... 54 
Рекомендуемая литература ......................................................... 56 

4 Свойства электролита .................................................................... 58 

4.1 Основные компоненты электролита .................................... 58 
4.2 Диаграммы плавкости солевых систем ............................... 59 
4.3 Физико-химические свойства электролитов ....................... 62 
4.4 Влияние добавок на свойства электролита ......................... 66 
4.5 Способы оценки состава электролита ................................. 71 
4.6 Расчет массы электролита в шахте ....................................... 72 

4.7 Корректировка криолитового отношения ........................... 74 
Рекомендуемая литература ......................................................... 74 

5 Конструкции электролизеров ........................................................ 76 

5.1 Классификация, требования и устройство .......................... 76 
5.2 Электролизеры Содерберга с боковым токоподводом ...... 78 
5.3 Электролизеры Содерберга с верхним токоподводом ....... 79 
5.4 Электролизеры с обожженными анодами ........................... 81 
5.5 Катодное устройство .............................................................. 83 
5.6 Анодное устройство ............................................................... 91 
5.7 Системы сбора газов .............................................................. 96 
5.8 Ошиновка электролизера .................................................... 100 
5.9 Электролизеры с инертными анодами ............................... 101 
5.10 Конструкционные материалы ........................................... 103 
Рекомендуемая литература ....................................................... 113 

6 Монтаж и ремонт электролизеров .............................................. 115 

6.1 Срок службы электролизеров ............................................. 115 
6.2 Демонтаж электролизера ..................................................... 117 
6.3 Подготовка к монтажу катодного устройства .................. 119 
6.4 Монтаж катодного устройства............................................ 121 
6.5 Изоляция электролизера и ее ремонт ................................. 127 
6.6 Локальный ремонт подины ................................................. 129 
6.7 Ремонтно-монтажные операции на аноде ......................... 131 
Рекомендуемая литература ....................................................... 135 

7 Обжиг и пуск электролизеров ..................................................... 137 

7.1 Цель и способы проведения обжига .................................. 137 
7.2 Обжиг подины с формированием анода Содерберга ....... 138 
7.3 Газопламенный обжиг подины ........................................... 140 
7.4 Пуск электролизеров ............................................................ 146 
7.5 Обслуживание электролизеров после пуска ..................... 147 
Рекомендуемая литература ....................................................... 150 

8 Технологическое обслуживание электролизеров ..................... 152 

8.1 Обслуживание электролизеров БТ ..................................... 152 
8.2 Обслуживание электролизеров ВТ ..................................... 157 
8.3 Обслуживание электролизеров ОА .................................... 164 
Рекомендуемая литература ....................................................... 167 

9 Серия электролиза ........................................................................ 169 

9.1 Общие сведения .................................................................... 169 
9.2 Основные показатели серии ................................................ 170 
9.3 Корпуса электролиза ............................................................ 171 
9.4 Инженерные сети ................................................................. 175 
9.5 Транспортное оборудование корпусов .............................. 176 
9.6 Аэрация корпусов ................................................................. 177 
9.7 Экономика сооружения серий ............................................ 179 
Рекомендуемая литература ....................................................... 180 

10 Электроснабжение серий электролиза ..................................... 182 

10.1 Требования к электроснабжению серий электролиза .... 183 
10.2 Схемы электроснабжения серий электролиза ................. 183 
10.3 Выпрямительные агрегаты ................................................ 185 
10.4 Регулирование силы тока серии ....................................... 188 
Рекомендуемая литература ....................................................... 195 

11 Транспорт и подача глинозема в электролит .......................... 197 

11.1 Разгрузка и транспортировка глинозема в корпуса электролиза ............................................................................................... 197 
11.2 Транспорт глинозема к электролизерам .......................... 200 
11.3 Подача глинозема в электролит ........................................ 206 
11.4 Принципы работы систем АПГ ........................................ 207 
11.5 Стратегия управления питанием ...................................... 209 
11.6 Типы и устройство систем АПГ ....................................... 212 
11.7 Эксплуатация систем АПГ ................................................ 217 
Рекомендуемая литература ....................................................... 219 

12 Вопросы и задачи для самостоятельной работы ..................... 221 

12.1 Контрольные вопросы (вариант 1) ................................... 221 
12.2 Контрольные вопросы (вариант 2) ................................... 227 
12.3 Технологические расчеты в производстве алюминия ... 230 
Рекомендуемая литература ....................................................... 245 

Перечень рисунков .......................................................................... 247 
Перечень таблиц .............................................................................. 249 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Алюминий является важнейшим цветным металлом, по объему производства уступающим среди конструкционных материалов только стали. Стабильно спрос на алюминий обусловлен 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 по выпуску первичного алюминия находится в группе мировых лидеров. Для сохранения конкурентноспособности российские производители предпринимают усилия по модернизации основных производственных 
мощностей и совершенствованию технологии, строительству и 
пуску  новых современных высокоавтоматизированных и механизированных предприятий. 
В современных условиях в отрасли возникают новые задачи 
в сфере подготовки и переподготовки специалистов, что обусловливает необходимость создания адекватных учебно-информационных ресурсов и их инновационного обновления, по крайней 
мере, в следующих двух основных направлениях издательской деятельности: подготовка разноплановых учебных пособий и профильной справочной литературы. Прошедший в отечественной системе высшего профессионального образования массовый переход от подготовки специалиста инженерного уровня по специальности «Металлургия цветных металлов» к подготовке бакалавра 
по направлению «Металлургия», ориентированной только на освоение профессиональных компетенций, сделал проблему еще более 
актуальной, а учебно-справочную литературу – еще более необходимой и востребованной. Взаимодействие с предприятиями объединенной компании «Русский алюминий» также подтверждает 
востребованность вузовской учебно-справочной литературы корпоративными внутризаводскими системами дополнительного профессионального обучения. 
Авторским коллективом кафедры металлургии цветных металлов Сибирского государственного индустриального университета в течение последних 20 лет подготовлено и издано 12 учебных 
пособий и 2 справочника, охватывающих различные аспекты элек

тролитического производства алюминия. 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.), «Металлургия алюминия. Технология. Электроснабжение. Автоматизация» (2008 г.), «Металлургия алюминия. Электролизеры с анодом Содерберга и их модернизация» (2008 г.), «Металлургия алюминия. Справочник по технологии и оборудованию» (2009 г.), «Металлургия алюминия. Справочник по технологическим и конструктивным измерениям и расчетам» (1-ое и 2-е 
изд-е, 2010 г., 2013 г.). Учебные пособия и справочники оказались 
своевременными и достаточно востребованными, но ориентированными главным образом на 5-летнюю основную образовательную программу подготовки инженеров-металлургов. 
В связи с этим настоящее учебное пособие «Оборудование и 
технология алюминиевого производства» предназначено в основном для использования в рамках основной образовательной программы прикладного бакалавриата «Технологии материалов», 
направления «Металлургия», профиль «Металлургия цветных, 
редких и благородных металлов». Учебное пособие содержит следующие разделы, изложенные с учетом современного состояния 
теории и практики организации электролитического производства 
алюминия: «Свойства алюминия», «Сырье для производства алюминия», «Основы электролиза алюминия», «Свойства электролита», «Конструкции электролизеров», «Монтаж и ремонт электролизеров», «Обжиг и пуск электролизеров», «Технологическое 
обслуживание электролизеров», «Серия электролиза», «Электроснабжение серий электролиза», «Транспорт и подача глинозема в 
электролит», «Самостоятельная работа студентов».  
Авторы выражают надежду, что оно будет востребовано инженерно-техническим персоналом алюминийпроизводящих предприятий, технологических центров и профильных организаций, а 
также будет полезно студентам, аспирантам и преподавателям 
высших учебных заведений. 

1  СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ 
 

1.1 Общие сведения  
 
Алюминий (в форме различных химических соединений) по 
содержанию в земной коре занимает первое место среди металлов 
– 8,13 %, и третье место среди всех элементов, уступая только кислороду и кремнию. Из-за высокой химической активности алюминий в природе находится только в связанном виде. По данным академика А.Е. Ферсмана, в природе насчитывается более 250 минералов алюминия и более 40 % из них относится к алюмосиликатам. 
Единственным практическим методом производства алюминия является электролиз криолитоглиноземного расплава. Основным сырьем для производства алюминия является глинозем, в котором доминирует диоксид алюминия Al2O3, а средой, в которой 
происходит процесс электролиза, - расплав криолита 3NaF∙AlF3, 
представляющий собой смесь фторида натрия NaF и трифторида 
алюминия AlF3. Производство глинозема и фторидов представляет 
собой специфические гидрометаллургические процессы, технология которых рассматривается в специальной литературе. 

1.2 Физические свойства твердого алюминия 

Плотность алюминия ρ теоретическая (рассчитанная по параметрам его кристаллической решетки) составляет 2698,72 кг/м3, 
по экспериментальным данным, для поликристаллического алюминия находится в пределах 2696,6 – 2698,8 кг/м3, а для монокристаллов – на 0,34 % выше. Зависимость плотности алюминия подчиняется аддитивному закону, то есть его расчетная плотность 
равна сумме плотностей каждого элемента с учетом его содержания. 
Термическое расширение α отожженного алюминия чистотой 99,99 % при температуре 293 К (20 ºС) составляет 23∙10-6, а ее 
изменение по мере роста температуры приведено в таблице 1.1.  
Изменение длины твердого тела с изменением температуры 
выражается формулой 

𝐿𝑡 = 𝐿0 ∙ (1 + 𝛼𝑡 + 𝛽𝑡). 
(1.1) 

 

Таблица 1.1 – Коэффициенты термического расширения 
алюминия 

Коэффициент термического 

расширения, α∙10-6 К-1

Температура
К
ºС

23,0
24,1
24,9
26,5
28,2
30,4
33,5
37,3

293
350
400
500
600
700
800
900

20
77
127
227
327
427
527
627

 
При небольшом изменении температуры с достаточной для практических целей точностью можно пользоваться линейным уравнением 

 
𝐿𝑡 = 𝐿0 ∙ (1 + 𝛼𝑡), 
(1.1а) 

где L0 – начальная длина при температуре 0 ºС; 
Lt – длина при температуре t; 
β – коэффициент объемного расширения. 

 
𝛽 = 3𝛼. 
(1.2) 

Теплопроводность. 
Коэффициент 
теплопроводности 
λ 
(Вт/м∙К) определяется удельным тепловым потоком q (Вт/м2), 
направленным по нормали к изотермической поверхности, при изменении температуры в этом направлении на 1 градус на единицу 
длины (град/м). Коэффициент теплопроводности λ для полностью 
отожженного алюминия в твердом состоянии по мере роста температуры снижается (таблица 1.2). При температуре выше 100 К 
он мало чувствителен к чистоте металла. 

Таблица 1.2 – Коэффициенты теплопроводности алюминия 

Коэффициент теплопроводности,

λ∙10-2 Вт/см∙К

Температура
К
ºС

2,35
2,37
2,40
2,36
2,31
2,25
2,18
2,10
2,08

273
298
400
500
600
700
800
900
933,5

0
25
127
227
327
427
527
627
660,5

Удельное электрическое сопротивление ρ (Ом∙м) алюминия высокой чистоты (99,99 %) при температуре 20 ºС составляет 
2,6548∙10-8 Ом∙м (0,0265 мкОм∙м), или 64,94 % электрического сопротивления международного эталона из отожженной меди. С 
увеличением температуры электрическое сопротивление алюминия возрастает, в интервале температур 273 – 573 К эта зависимость практически линейна и составляет 1,15∙10-8 Ом∙м/К. 
Электрическая проводимость алюминия в значительной степени зависит не только от чистоты металла, но и от нахождения 
примеси в твердом растворе или в другой фазе. Наибольшее влияние на электрическое сопротивление алюминия оказывают примеси хрома, лития, марганца, магния, титана и ванадия. С достаточной для практических целей точностью электрическое сопротивление алюминия (мкОм∙м) можно определить по формуле: 

𝜌 = 0,0264 + 0,007𝑆𝑖 + 0,0007𝐹𝑒 + 0,04(𝑇𝑖 + 𝑉 + 𝐶𝑟 + 𝑀𝑛),     (1.3) 

где Si, Fe, Ti, V, Cr, Mn – содержание примесей, % масс. 
Удельное электрическое сопротивление алюминия при его переходе из твердого в жидкое состояние, скачком возрастает с 10,95 
до 24,2 мкОм∙см. 
Удельная теплоемкость с (Дж/г∙К) - это количество теплоты, необходимое для повышения температуры тела, массой  1 г 

на 1 К. При температуре 0 ºС удельная теплоемкость алюминия составляет 0,90 Дж/г∙К. По мере увеличения температуры она возрастает и определяется уравнением 

 
𝑐𝑡 = 𝑐0 + 𝑏𝑇, 
(1.4) 

где сt, c0 – удельная теплоемкость при температуре Т и 0 ºС, соответственно, Дж/г∙К;  
b – коэффициент, равный 2,96∙10-3;  
Т – температура, К. 

1.3 Физические свойства жидкого алюминия 

Плотность расплавленного алюминия чистотой 99,996 % 
(таблица 1.3) на 6,6 % меньше, чем у твердого металла и при температуре 973 К составляет 2357 кг/м3, линейно снижается до 
2304 кг/м3 при температуре 1173 К. 

Таблица 1.3 – Плотность расплавленного алюминия 

Плотность,

кг/м3

Температура

К
ºС

2368
2357
2345
2332
2319
2304

933
973
1023
1073
1123
1173

660
700
750
800
850
900

Температура плавления очень чувствительна к чистоте алюминия. По данным Мондольфо, температура плавления алюминия 
чистотой 99,996 % составляет 933,4 К. Температура начала кристаллизации, по Международной шкале температур 1968 г., считается равной 660,37 ºС, и в течение ряда лет используется для калибровки термопар. Температура кипения алюминия составляет 
2520 ºС. Однако, по другим данным, она равна 2494 ºС (2767 К). 
Скрытая теплота плавления для чистого алюминия составляет 
397 Дж/г (2,56 ± 0,05 ккал/моль). Скрытая теплота испарения 
составляет 11304 Дж/г. 

Удельная теплопроводность алюминия при его переходе из 
твердого в жидкое состояние резко снижается с 2,08 до 
0,907 Вт/см∙К, а затем возрастает и при температуре 1000 ºС составляет уже 1,01 Вт/см∙К. 
Удельная теплоемкость жидкого алюминия в интервале 
температур от точки плавления до точки кипения постоянна и 
равна 31,77 Дж/моль∙К (0,90 Дж/г∙К). 
Поверхностное натяжение δ (Н/м) имеет максимальное 
значение при температуре плавления и с ростом температуры линейно снижается 

 
𝛿 = 868 − 0,152 ∙ (𝑇𝑇 − 𝑇П), 
(1.5) 

где ТT, ТП – температура текущая и температура плавления, соответственно, ºС. 
Вязкость (динамическая) μ (мПа∙с) при температуре плавления алюминия составляет 12 мПа∙с и с увеличением температуры 
снижается. Примеси к алюминию, особенно оксида алюминия, 
увеличивают вязкость расплава. 
Давление паров Р (Па) алюминия по данным различных исследований значительно различается. Расчетные значения Р, полученные на основе термохимических характеристик, приведены в 
таблице 1.4. 

Таблица 1.4 – Давление паров Al в зависимости от температуры 

Температура, 

Т, ºС

Давление, Р, 

Па

Температура,

Т, ºС

Давление, Р, 

Па

816,7
861,8
912,2
958,8
1033
1106

10-8

10-7
10-6
10-5
10-4

10-3

1190
1289
1405
1544
1713

10-2
10-1
1,0
10
100

1.4 Химические свойства 

В Периодической системе Д.И. Менделеева алюминий находится под № 13. Атомная масса алюминия составляет: 26,9815 (по 

углероду 12С) и 26,98974 (по кислороду 16О).  
Изотопы алюминия. Основным изотопом алюминия является весьма устойчивый 27Al, состоящий из 14 нейтронов и 13 протонов. Кроме хорошо известного изотопа 26Al, период полураспада 
которого составляет 106 лет, установлено существование еще 6 
изотопов с массовыми числами 23, 24, 25, 26, 28, 29, с малыми периодами полураспада (от 0,13 до 396 с) и пренебрежимо малой распространенностью в природе (2∙10-5–1,5∙10-4 %). 
Валентность алюминия. Электроны алюминия (13 шт.) по 
электронным оболочкам распределены следующим образом: 1s2, 
2s2, 2p6, 3s2, 3p1. На внешнем электронном слое М находится три 
валентных электрона: два из них – на 3s-орбите с потенциалами 
ионизации 1800 и 2300 кДж/моль, а один – на 3р-орбите с потенциалом ионизации 574,5 кДж/моль. Поэтому в химических соединениях алюминий обычно трехвалентен (Al+3). Электрон на р-орбите связан с ядром слабее, чем два спаренных электрона на sорбите и поэтому, при определенных условиях, теряя р-электрон, 
атом алюминия становится одновалентным ионом (Al+), образуя 
соединения низшей валентности (субсоединения). Еще реже образуются двухвалентные ионы (Al+2). 
Кристаллическая решетка алюминия – гранецентрированный куб, устойчива в диапазоне температур 4–933 К. 
Коррозионная стойкость. Несмотря на то, что алюминий 
является одним из наименее благородных промышленных металлов, он достаточно устойчив во многих окислительных средах. Это 
объясняется тем, что на поверхности алюминия всегда находится 
пленка, состоящая из оксида алюминия, которая немедленно образуется на зачищенной поверхности металла при его взаимодействии с кислородом воздуха, воды или других окислителей. Молекулярный объем пленки почти в 1,3 раза больше, чем объем алюминия и поэтому поверхностный слой алюминия находится под 
постоянным сжатием, а поврежденная пленка быстро восстанавливается. При комнатной температуре в атмосфере сухого кислорода толщина пленки составляет 2,5 – 3,0 нм (10-9 м), а при относительной влажности 100 % ее толщина практически удваивается. 
При наличии в алюминии или окружающей среде Hg, Na, Mg, Ca, 
Si, Cu и некоторых других элементов прочность оксидной пленки 
и ее защитные свойства резко снижаются. 

Химическая активность алюминия весьма высока. В мелкораздробленном состоянии при нагревании на воздухе он воспламеняется и сгорает с выделением большого количества тепла (более 1670 кДж/моль). 
Алюминий обладает большим сродством с кислородом: энергия образования Al2O3 составляет 1670 кДж/моль, что позволяет 
эффективно использовать алюминий для восстановления других 
металлов из оксидов (алюмотермия). Хлорид (AlCl3) и фторид 
(AlF3) алюминия получают при его взаимодействии с соответствующими элементами, и при этом выделяется большое количество 
тепла – 680 и 1385 кДж/моль, соответственно. При взаимодействии с азотом при температуре выше 800 ºС образуется нитрид 
алюминия (AlN). Реакция с углеродом начинается при температуре 650 ºС, но энергично она протекает при температуре около 
1400 ºС с образованием карбида алюминия (Al4C3). 
Будучи амфотерным, алюминий растворяется в соляной кислоте и в растворах щелочей. В серной и разбавленной азотной кислоте алюминий растворяется медленно, а в концентрированной 
азотной кислоте, органических кислотах и в воде алюминий практически не растворяется. 
Газы в алюминии. Водород химически не взаимодействует с 
алюминием, но в значительной мере растворим в жидком и твердом алюминии. Поэтому присутствие водорода в количествах, 
превосходящих его растворимость в твердом алюминии, рассматривается как вредная примесь, так как приводит к снижению его 
потребительских свойств. 

1.5  Механические свойства 

Механические свойства алюминия в значительной степени 
зависят от количества и состава примесей в нем, предварительной 
механической обработки (отжиг, наклеп и пр.), а также от температуры. С увеличением содержания примесей в алюминии его 
прочностные свойства растут, а пластичность снижается. Эти 
свойства проявляются при изменении чистоты алюминия в диапазоне 99,6 – 99,99 %. 
Основные механические свойства алюминия технической 
чистоты характеризуются следующими показателями: