170kA铝电解车间的初步设计

170kA铝电解车间的初步设计 目 录 摘 要 .................................................................................................................... V ABSTRACT ............................................................................................................ VI 第一章 绪 言 ....................................................................................................... 1 1.1 铝土矿简介 ..................................................................................................... 1 1.2 铝的性质及用途 ............................................................................................. 1 1.2.1 铝的物理性质: ...................................................................................... 1 1.2.2 铝的化学性质: ...................................................................................... 2 1.2.3 铝的用途 .................................................................................................. 3 1.3 铝工业的发展 ................................................................................................. 4 1.3.1 世界铝工业基本现状 ............................................................................... 4 1.3.2 中国铝工业现状 ...................................................................................... 5 1.3.3 世界铝工业技术发展现况 ....................................................................... 6 1.3.4 中国铝加工发展现状 ............................................................................... 6 1.3.5 铝电解新技术简介 ................................................................................... 8 1.3.6 中国铝工业与世界铝工业水平的差距 .................................................... 9 1.4 铝的冶炼方法 ................................................................................................ 11 1.4.1 化学法冶炼铝 ......................................................................................... 11 1.4.2 电解法炼铝 ............................................................................................. 11 1.5 设计的意图及设计内容 .................................................................................13 第二章 厂址的选择及论证 ...................................................................................14 2.1 铝电解厂选择的重要性及选择原则 .............................................................14 2.1.1 正确选择厂址的重要性 ..........................................................................14 2.1.2 厂址选择的原则 .....................................................................................14 2.1.3 厂址选择的一般要求 ..............................................................................14 2.2 厂址选择 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 分析 ........................................................................................15 2.2.1 方案一 把厂址建在河南省陜县...........................................................15 2.2.2 方案二 把厂址选在河南省偃师市曹沟地区 .......................................16 2.3 厂址选择的最优方案 ....................................................................................17 第三章 铝电解主要技术经济指标的选择及论证 ..................................................19 3.1 铝电解工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图概述 .................................................................................19 3.2 铝电解主要原材料的质量要求 .....................................................................20 3.2.1 氧化铝 .....................................................................................................20 3.2.2 冰晶石 .....................................................................................................23 3.2.3 添加剂 .....................................................................................................24 3.3 主要技术经济指标的确定与论证 .................................................................27 3.3.1 电流强度 .................................................................................................27 3.3.2 电解质 .....................................................................................................27 3.3.3 电解温度 .................................................................................................30 3.3.4 极距 .........................................................................................................31 3.3.5 电解质水平和铝液水平 ..........................................................................31 3.3.6 效应系数 .................................................................................................33 3.3.7 电流效率 .................................................................................................34 第四章 铝电解槽的设计计算 ...............................................................................38 4.1 铝电解槽槽型选择及论证 .............................................................................38 4.1.1 工业铝电解槽的发展状况 ......................................................................38 4.1.2 槽型的选择及论证 ..................................................................................39 4.2 电解槽结构设计计算 ....................................................................................41 4.2.1 阳极炭块及阳极结构 ..............................................................................41 4.2.2 槽膛尺寸 .................................................................................................43 4.2.3 电解槽的外形尺寸 ..................................................................................44 4.2.4 阴极炭块和阴极结构 ..............................................................................44 4.2.5 槽内衬结构及槽壳 ..................................................................................45 4.3 电解槽导电部件的计算 .................................................................................46 4.3.1 电解槽的母线配置及其排列方式...........................................................46 4.3.2 电解槽母线尺寸的确定 ..........................................................................49 4.4 物料平衡计算 ................................................................................................54 第五章 系列电解槽、电力 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 、电解槽排列、厂房尺寸的确定 .......................55 5.1 工作电解槽及备用槽的确定 .........................................................................55 5.1.1 工作电解槽的确定 ..................................................................................55 5.1.2 总槽数的确定 .........................................................................................55 5.1.3备用槽数目的确定 ...................................................................................55 5.2 系列数、厂房数及其尺寸的确定 .................................................................56 5.2.1 电解槽系列 .............................................................................................56 5.2.2 厂房的数量 .............................................................................................56 5.2.3 厂房及电解槽的安装尺寸 ......................................................................56 5.3 电力制度的选择及论证 .................................................................................58 5.3.1 电力能耗的确定 .....................................................................................58 5.3.2电力制度的选择及论证 ...........................................................................58 5.4 电子计算机的选择 ........................................................................................60 5.4.1计算机控制工艺过程一般有 ...................................................................60 5.4.2依据所需控制项目，对电子计算机有如下要求 ....................................60 第六章 车间主要辅助设备的选择及计算 .............................................................61 6.1 车间的主要辅助设备 ....................................................................................61 6.2 车间主要辅助设备的计算 .............................................................................61 第七章 厂房通风及烟气净化 ...............................................................................62 7.1厂房的通风 ....................................................................................................62 7.2 烟气的净化 ....................................................................................................62 7.2.1 一次烟气的收集方法 ..............................................................................62 7.2.2 二次气体的净化 .....................................................................................64 第八章 电解槽的操作制度 .................................................................................65 8.1 焙烧阶段 ........................................................................................................65 8.2 启动阶段 ........................................................................................................67 8.3 正常生产阶段 ................................................................................................68 8.3.1 下料 .........................................................................................................68 8.3.2 出铝 .........................................................................................................69 8.3.3 阳极操作 .................................................................................................70 第九章 车间劳动组织 ........................................................................................73 9.1 车间劳动组织 ................................................................................................73 9.2 车间人员配备 ................................................................................................73 第十章 原铝成本的核算 ......................................................................................74 参考文献:..............................................................................................................75 致 谢 .................................................................................. 错误～未定义书签。77 附 录 .................................................................................. 错误～未定义书签。78 170kA电解铝车间的初步设计 摘 要 本设计主要重点在于铝电解车间的设计。首先，对铝的相关性质与用途以及铝电解技术在国内外的发展进行了简明扼要的概述，并对电解铝厂的厂址选择进行了充分的论证;其次，对电解铝中原材料的质量的要求进行了简要的概述以及对其主要技术经济参数(电流强度、电流密度、电解温度、极距、电解质成分、铝液高度、电解质水平等)和对电解槽的型号进行了合理的选择，并对炭阳极、炭阴极、电解槽尺寸、电解槽排列以及厂房尺寸进行了反复的计算;最后确定电解槽数目、厂房以及电解槽的安装尺寸，并对电力制度与计算机进行选择，同时对烟气净化与电解槽的操作制度进行简明的概述，以及确定车间人员配置与原铝的成本核算。 关键词:铝电解，设计，车间，170kA The Design of 170kA electrolytic aluminium workshop Abstract The main point of the design is the design of the aluminum electrolysis workshop. Firstly, the rapid development related to the properties of aluminum and aluminum electrolysis technology at home and abroad is been briefly summarized, and argument about the selection of the aluminum plant site is sufficient. Secondly, requirements for the quality of the raw materials of the electrolytic aluminum are been briefly reviewed, and its main technical and economic parameters (such as current intensity, current density, electrolytic temperature, distance of the poles, electrolyte composition, aluminum liquid height, electrolyte levels and so on) and the type of the electrolytic cell are been reasonably selected, and the size of carbon anode, carbon cathode and electrolytic cell and the arrangement of electrolytic cell are been calculated repeatedly. Finally, the number of the electrolytic cell and the installing size of the workshop and the electrolytic cell are deterministic, and the electric power system and the computer are been selected, at the same time the gas purification and the operation system of the electrolytic cell are been briefly summarized, the staff assignment of the workshop and the cost accounting of the raw aluminum are been done. Keywords: electrolytic aluminium; design; workshop; 170kA 第一章 绪 言 铝是地球上含量极为丰富的金属元素，其蕴藏量在金属中居首位，在地壳中铝的含量约为8%，仅次于氧和硅。铝的化学性质十分活泼，所以在自然界中还未发现游离状态存在的铝，含铝矿物主要有铝土矿、高岭石、高岭土、明矾石泥土、冰晶石、氟石等，以及若干氧化物形态矿物，如刚玉、玉石、红宝石等，总计有250多种。 至19世纪末，铝制品才崭露头角，成为在工程应用中具有竞争力的金属，且风行一时。航空、建筑、汽车三大重要工业的发展，要求材料特性具有铝及其合金的独特性质，这就大大有利于这种新金属。 1.1 铝土矿简介 铝土矿是世界上最重要的铝矿资源，其次是明矾、霞石、粘土等。目前世界氧化铝工业，除俄罗斯利用霞石生产部分氧化铝外，几乎世界上所有的氧化铝都是用铝土矿为原料生产的。 铝土矿是一种主要由三水铝石、一水软铝石或一水硬铝石组成的矿石。到目前为止，我国可用于氧化铝生产的铝土矿资源全部为一水硬铝石型铝土矿。铝土矿中氧化铝的含量变化很大，低的仅约30%，高的可达70%以上。铝土矿中所含的化学成分除氧化铝外，主要杂质是氧化硅、氧化铁和氧化钛。此外，还含有少量或微量的钙和镁的碳酸盐、钾、钠、钒、铬、锌、磷、镓、钪、硫等元素的化合物及有机物等。其中镓元素在铝土矿中含量虽少，但在氧化铝生产过程中会逐渐在循环母液中积累，从而可以有效地回收，成为生产镓的主要来源。衡量铝土矿优劣的主要指标之一是铝土矿中氧化铝含量和氧化硅含量的比值，俗称铝硅比。 1.2 铝的性质及用途 1.2.1 铝的物理性质: (1) 熔点低。铝的熔点与纯度有密切关系。纯度99.996%的铝，其熔点最精确测定值是933.4k，或取整数为933k(660C)这是公认值。纯度99.99%的铝，熔点一般低1~2?。工业纯铝的最终凝固点低至575?，新的工业纯铝有一个凝固温区。 (2) 沸点高。液态铝的蒸气压不高，沸点为2467?。 3 (3) 密度小。从晶格参数算出铝的密度为2.6987g/cm，而实际的密度值为 33+2.6966~2.6988g/cm,同计算值接近，Al的半径为0.0535nm。铝的密度也与其中所含的合金元素和杂质的种类和数量有关，使铝密度增大的元素是Fe、Cu、Mn、V、Cr、Fi、P等，使其减少的元素是B、Ca、Mg、Li 等，Si稍减少铝的密度，6 工业纯铝的密度主要取决于基中Fe和Si的质量分数。一般工业纯铝中的 33m(Fe)/m(Si)=2~3,密度约为2.70~2.71/cm。在950?时，铝液的密度为2.303 g/cm (4) 电阻率小。高纯铝(其中铝的质量分数为99.995%)的电阻率在293K时为(2.62~2.65)×10~8Ω.M，这相当于铜的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电阻率的1.52~1.54倍。用做工业导电材料的铝在293K时，电阻率不大于2.80×10-8Ω.m，一般质量分数为99.5%~99.7%的铝，电阻率为(2.80~2.85)10~8Ω.m。铝中添加其他元素，都会增大铝的电阻率，固体和液体铝的电阻率随温度降低而减小，靠近零K时，铝的电阻接近零。 (5) 铝具有良好的导热能力。 (6) 铝具有良好的反射光线的能力，特别是对于波长为0.2~12um的光线。 (7) 铝没有磁性，不产生附加的磁场，能在精密仪器中不会起干扰作用。 (8) 铝易于加工，可用一般方法把铝切割，焊接和黏接，铝易于压延和接丝。 (9) 铝的再生利用率高，现在全世界的再生铝年产达到600万吨，大约是原铝产量的1/4，废铝再生利用的能量大约是原铝生产所用的5%。 (10) 铝可以同多种金属构成合金，例如Al-Ti，Al-Mg，Al-Zn，Al-Si，Al-Fe，Al-Mn合金，某些合金的力学强度甚至超过结构钢，具有很大的强度/质量比值。 1.2.2 铝的化学性质: (1) 铝同氧反应成AlO23 (2) 铝在高温下能够还原其他金属化合物。在高温2000?左右，铝易于同碳起反应，生成碳化铝(AlC)，有催化剂冰晶石存在时，AlC的生成可降低到4343 900?左右。在1100?以上温度时铝同氮起反应，能成氮化铝(AlN)。 (3) 在800?以上温度，铝同三价卤化物(例如AlF,AlCl ,AlBr ,AlI)起反3333应，生成一价铝的卤化物.在冷却时，一价铝的卤化物分解出常价铝的卤化物和铝。利用这种歧解反应，可以从铝合金中提取纯铝。 (4) 由于铝的两性性能，铝易于同稀酸起反应，铝又易于被苛性碱溶液侵蚀，生成氢气和可溶性铝盐，但是高纯度铝能够抵御某些酸的腐蚀作用，可用来储存硝酸，浓硫酸，有机酸和其他化学试剂。 (5) 铝不与碳氢化合物起反应。 (6) 铝的保护剂。铝的保护剂有多种有机的或无机的胶体(如松脂，橡胶，淀粉，糊精等)碱金属的铬酸盐和重铬酸盐，铬酸，高锰酸盐，过氧化氢以及其他氧化剂，它们能够 促进生成铝表面上的保护性氧化膜。 (7) 铝与人体健康的关系。据加拿大多伦多大学的研究，动物的衰老症与体内摄入过量的铝有关。据《沈阳日报》1999年6月17日载，俄罗斯研究人员经过多年研究后，发现使用铝锅烹调有碍健康的机理(铝能抵御铅的毒性)。 1.2.3 铝的用途 由于铝的卓越性质，使它的应用极为广泛。下面简要的按不同应用领域予以介绍。 1. 铝的传统用途 由于铝具有质轻，良好的导热性和导电性，可加工性能及构成高强度、耐腐蚀性的合金等优良性能，因而铝成为有色金属中应用最广泛的金属，大量的铝用于制造建筑用结构材料、饮料罐和其他包装材料、电力输送线、日用品、机械设备诸方面。铝工业现在是世界上最大的电化学工业。 2. 铝在交通运输上的应用 近年来能源价格上涨，汽车和铁路车辆的用铝量明显增多 ，其目的是减轻车身的质量，以求节省燃料。 3. 铝在航空业上的应用 在钢铁冶金工业上用铝做脱氧剂，钢锭浇铸时用作冒口发热剂，平均每吨钢需0.8kg铝。此外，还用铝做还原料，生产高熔点金属。 4. 铝在农业上的应用 用铝合金型板卷绕而成的螺旋型铝合金粮仓，与建设传统的钢筑混凝土粮仓相比，劳动强度减轻20%，投资少1/3~1/2。用铝合金制作地下喷灌网。 5. 铝在建筑上的应用 由于铝合金具有美观抗腐蚀、机械强度好的特点，所以它被广泛用于建筑材料，如房屋、桥梁、门窗制造及太阳能收集器制作等。 6. 铝在饮食上的应用 全球约有一半的饮食用具用铝做成，烹调的热效高达93%，而不锈钢和铸铁仅及铝的1/3。食品和饮料的保护和储存大量地用到铝。超薄铝箔用于保存食品、药品，能防紫外线、气味和细菌的污染，十分安全。总的来说，铝的包装可以保温、防冻、容易开启、容易消毒、防水、防蒸汽、防光，既能传导热又能辐射热，还可循环使用。 7. 铝合金新能源 研究人员发现将一般汽车稍加改造，不用汽油，只需放入一些类似饼干的铝合金燃料 ，就可以使汽车连续行驶2000km。这是一个化学电池，铝合金片作为正极，负极则是空气，当正负极电路一接通，铝合金就在电解液中逐步转化为电。 1.3 铝工业的发展 1.3.1 世界铝工业基本现状 全球铝产量和铝消费量持续增长，总的呈现出三个趋势:一是世界铝生产的集团化、国际化;二是铝电解槽日趋大型化，其科技含量、智能化程度越来越高;三是电解铝生产的技术经济指标向着高产、优质、低耗、长寿和低污染的方向加快进步。全世界原铝生产国从1995年的43个增加到2003年的45个，电解企业从1995年的137个增加到2003年的272个(中国147个)，截止到2003年末，全世界金属铝总生产能力达3300万t(中国833万t)，比2002年增长7.1, 。从2001年至今，全球最大产铝国是中国。截至2007年底，全世界铝加工材总产量约2800万t，其中我国铝加工材产量达1250.8万t，约占全世界总产量的40%。2007年世界电解铝产量国前五名如表1.1所示: 表1.1 2007年世界电解铝生产国前5名产量 序号 国家 产量?万 t 所占比例?% 1 1259 32.96 中国 2 420 10.99 俄罗斯 3 310 8.12 加拿大 4 260 6.81 美国 5 190 4.97 澳大利亚 — 3820 100 世界合计 2009年前三季度全球氧化铝产量为5600.1万t折合年率可满足约3830万t 电解铝产量的需求，而2008年同期为6235.3万t。据报道，目前国际上电解铝厂电流效率最高的电解槽为Alcan-Pechiney公司在加拿大魁北克325kA电解槽系列，年平均电流效率为96.0%，电耗13000Kw?h,t(Al)，碳阳极净耗373kg,t(Al)。 表1.2 全球电解铝产能 年度 全球产量(万t) 中国产量(万t) 中国产量比重 2001 2820 425 15% 2002 2930 530 18% 2003 3035 650 21% 2004 3360 826 25% 2005 3610 1000 28% 2006 3790 1250 33% 2007 4270 1438 34% 2008 4430 1594 44% 2009 4550 2000 44% 1.3.2 中国铝工业现状 中国1990年铝的消费在全球的分额中仅为4.6%,而到了2004年上升到20.1% 。随着我国近年来经济快速增长，国内铝工业发展迅速，到2004年，全国电解铝产能已达900万吨，产量667万吨，消费量595万吨。比1995年我国铝产量和消费量年增长率分别达到15.14%和13.3%，两者跃居世界第一位。2007年产量高达1250.8万t，同比2006年增长42.25%;2007年进口铝材69.0万t，同比2006年增长0.6%;出口铝材185.3万t，同比2006年增长49.4%，铝材净出口116.3万t;2007年，我国铝材表观消费量为1134.5万t。 表1.3 2001-2007年中国铝材产量和表观消费量(万t) 2001年 2002年 2003年 2004年 2005年 2006年 2007年 234.1 298.3 399.7 543.5 647.9 879.3 1250.8 产量 40.4 47.3 53.2 61.1 64.8 68.1 69.0 进口量 13.6 18.9 27.3 43.1 120.4 185.3 出口量 71，2 260.9 327.5 425.6 561.5 823.3 1134.5 表观消641(5 费量 在2008年1-6月份我国铝工业的产量中，氧化铝产量1112.9万t，比2007年同 期增长18.1%，预计2008全年产量为2300万t;电解铝产量662.0万t，比2007年同期增长12.9%，预计2008全年产量将达1450万t;铝加工材687.9万t，比2007年同期增长38.3%，预计2008全年产量将达到1400万t。 1.3.3 世界铝工业技术发展现况 在20世纪70年代美国美国开发并广泛使用了密闭式中间下料预焙槽，其特 2点是阳极电流密度高(0.85~0.9A?cm )和极距高或槽电压高，操作上采用低分子比(2.0)。此种槽的优点是劳动生产率高、相对投资较低和环保效果好，电 2耗十分可观。欧洲所采用Pechiney和瑞铝的低电流密度(0.72 A/cm)的边部加料预焙槽,其优点是电耗非常低,但是劳动生产率却很低且环保效果不好。到了70年代末，双方认识了各自的缺点。美国开发和采用了低电流密度(0.73~0.75 2A/cm)的点式下料预焙槽,如186kA的Alcoa-697和275kA的Alcoa-817。Pechiney仍保持低电流密度的特点，而改用了密闭式、中间点式下料预焙槽。90年代以后,无论多大电流的电解槽，其最佳的结构形式都是密闭式、中间点式下料预焙槽。随着全球铝需求增长以及西方国家劳动费用增加和铝价逐年走低的趋势，西方国家都把增加现有电解槽的生产能力、降低电耗和管理费用作为企业的奋斗方向。 1.3.4 中国铝加工发展现状 我国开发炼铝技术的基点一直是以低电耗和解决污染为主。这是因为我国是一个人口密度高和电价较高的国家，电费约占原铝现金成本的40%;但是铝厂投资很低，约为西方国家的1/3或1/4;劳动力费用则更低，是西方国家原铝成本的1/4~1/5;氧化铝和炭素材料来源多渠道，质量不稳定;阴极炭块技术，停留在70 3或80年代的水平。因此中国的铝电解技术采用低的阳极电流密度0.72~0.73A/cm和中等分子比的电解质成分(重量比:1.15~1.2，即AlF过剩量为8-10%)和极距3 较高的条件进行设计与生产。目前已经成为一种十分容易掌握的宽松槽型，这种生产技术对筑炉材料和原材料的要求不高，对工人技术熟练程度要求也不高。从我国200~300kA电解槽顺利生产表明，在中国极为快速发展电解铝的条件下，选用这种技术是极为恰当的，而且为用户提供了继续增加产量的空间。 我国在电解铝快速发展和技术进步的推动下，出现了约占2004年总产量70%的具有世界先进代表性的200kA、240kA、280kA和300-350kA的大型预焙 槽，使用最早的160kA预焙槽，经过优化操作，在技术水平方面不比大型槽逊色。全国自焙槽的产量预计只有6%。160kA以上的预焙槽总体技术达到国际水平。 进入21纪来我国电解铝工业发展进入快车道，电解铝以年均递增21%的速度增长，其中2007年增长率达到39%，起初发展快的地区主要集中在我国的西南地区，现在增长最快的地区已经转移到中东部，比较有代表性的有我国的山东、河南、山西等省。为了适应市场竞争，实现规模化运营，做到优势互补，扩大市场份额，我国铝企业以收购、兼并、联合，以低成本扩张的方式，加快产业结构调整，组建更大规模的企业集团，电解铝厂规模不断扩大。新兴科学技术的开发，辅助设备技术装备水平的提高，特别是计算机技术的出现，为我国大型电解槽的开发奠定了基础。1996年，我国成功开发了280kA中间点式下料超大型预焙阳极电解槽，并在河南沁阳试验工厂投产。槽设计上选用了摇篮托架槽壳，多点筒式下料，5点进电等多项新技术;槽启动上采用焦粒预热焙烧方法灌熔体电解质启动。通过鉴定验收的指标是:电流效率约93%和直流电耗13124kWh/t-Al，净炭耗420kg/t-Al，达到了20世纪90年代国际先进水平。这些成功开发的项目投入系列运行后，生产指标好、控制水平高，基本代表了中国铝电解的技术水平1997年，320kA超大型预焙槽技术开发成功，1999年6月在广西平果铝业公司试验工厂投产。280kA~320kA大型预焙槽的成功开发是我国铝工业史上的里程碑，这标志着我国大型预焙槽技术开始跻身国际先进行列。2001年6月，由沈阳铝镁设计研究院开发研制的SY300(300kA)预焙阳极铝电解槽，在河南伊川铝新建256台，规模20万t/a，2002年11月电解槽全部投产。全系列连续6个月实际生产运行的平均指标为: 电流效率为93.176%，直流电耗为13544kwh/t-Al，达到了国际先进水平。目前，我国在20~25万t/a规模的新建或改扩建项目均采用本技术，该成果已在河南伊川铝厂、河南万基铝业、山东南山集团铝厂、山西关铝股份有限公司、包头东方希望铝业公司、中国铝业股份公司山西分公司、宁夏中宁秦毅实业有限公司、内蒙古霍煤鸿骏铝业有限公司、云南铝业公司等10个铝厂采用，共计1315个系列，安装3310台电解槽，总产能达282万t/a。世界上著名的法国彼施涅铝业公司开发AP30(300 kA) 电解槽，在全世界推广应用总计槽数为3700多台，而我国的SY300电解槽已应用3310台，该槽型已成为 我国铝电解生产的主导槽型。随着大型电解槽纷纷浮出水面、电解铝厂规模的不断扩大和技术装备水平的提高，我国电解铝行业在投资上也实现了多元化，近几年来，我国电解铝工业高速发展的原因主要来自于市场的拉动，现阶段大多数的企业都在全面协调自身的发展，加强企业之间优势资源的投资合作，实行煤-电-铝、煤-电-铝-热的跨行业经营。 1.3.5 铝电解新技术简介 1. 低温铝电解 电解铝低温生产技术实际上是从焙烧启动到正常生产，就是一个温度由高到底的控制过程。电解槽相对低温(925~935?)生产可通过优化电解质成分、稳定供流、合理的保持工作电压、均阳极状态控制、低效应系数、阳极氧化、掉渣处理、载氟氧化铝稳定供给、氟化铝补充添加优化、氧化铝浓度低窄控制等来实现，不仅高效，而且节能潜力大。 现阶段低温铝电解的目标是实现在800~900?的铝电解，得到液态铝。低温铝电解的原料是氧化铝，电解试验在实验室100A电解槽上进行，系统研究了各种NaF/ AlF摩尔比电解质的电流效率，其中添加3%~4%AlO，2%~3%CaF和32320~10%MgF，在650~800 ?下，电流效率比同样条件下用常规电解质电解时的2 电流效率高得多，这是低温电解的一大优点。电解的过程发生阳极效应，添加氧化铝粉后阳极效应容易熄灭。 2. 惰性阳极 惰性阳极主要分为陶瓷阳极、金属陶瓷阳极和金属阳极。采用惰性阳极体系不仅可以降低能耗，避免温室气体CO的排放，而且可以提高电解槽的使用寿2 命，因此被认为是一种新型绿色环保电极。 铝电解过程是在高温熔盐体系中进行，操作条件恶劣，对惰性阳极的要求较高，应满足以下特征: (1) 稳定的化学特性，不溶于含有溶解铝、钠、钾的氟化物熔盐中，能抵抗高温下的空气氧化及气、液、固三相界面上的氧化和腐蚀; (2) 良好的电化学稳定性，不发生阳极溶解，能耐电化学氧化及抵抗阳极析出氧的作用; (3) 电阻率低，具有良好的导电性、抗热震性能和机械加工性能; (4) 原材料易获得，价格便宜。 1.3.6 中国铝工业与世界铝工业水平的差距 1. 我国铝电解生产的电流效率不高，与国外先进指标相比有3%~7%的差距 在铝电解过程中，阴极上电解生成的金属铝又可部分地溶解到电解质熔体中，并被阳极气体氧化，造成阴极铝的损失，使电流效率降低。 九十年代时美国、加拿大、德国、法国和挪威等西方国家通过对铝电解槽温度场、合理母线配置、电解槽内熔体(电解质熔体和铝液熔体)流体动力学以及电解质化学的研究，使用低分子比电解质以及合理的母线配置和电解槽结构设 。相比之下，我国同类型电解槽计，已使电解槽的平均电流效率达到95%以上 的平均电流效率除个别185~200kA电解槽系列能达到91~92%之外，大多数电解槽的电流效率只在87~88%左右(按整流效率98%核算)，相差3~7%(见表1.4) 表1.4 我国铝厂与国外部分铝厂电流效率的对比(预焙槽) 我国铝厂(按整流效率98%核算) 国外铝厂 电解槽类型 电流效率 电解槽类型 电流效率 70~80kA纵向排列 87~88% 80kA纵向排列(俄) 94.0% 135kA横向排列 87~88% 175kA纵向排列(挪) 92.4% 160kA横向排列 90~91% 200kA横向排列(新西兰) 95.5% 185~200kA横向排列 91~92% 210kA横向排列(法国) 95.3% 325kA横向排列(加拿大) 96.0% 2003年底全国833182万t产能中，280 kA以上特大型预焙槽产能为15216万t，占总产能的1813%，160~240kA大型预焙槽产能为38711万t，占总产能的4615%，小型预焙槽产能为190124万t，占总产能的2218%，还有103188万t产能仍然是使用落后的自焙槽，占总产能的1215 %。可见，虽然通过引进、消化、吸收国外先进技术和装备，我国电解铝行业整体装备水平有显著提高，但是，我国还有约100万t的自焙槽和约200万t的小型预焙槽，约占全国总产能的35%，这些低档次的生产技术设备，虽然具有生产工艺简单、投资省、见效快等优点，但技术装备水平较低，能耗、原材料消耗高，环境污染严重，技术经济指标较差。 2. 我国铝厂炭阳极质量不高，阳极消耗高，阳极焙烧是国外的2倍，而生 产能力却是国外同类型炉生产能力的三分之一。 在九十年代国外大型预焙阳极电解槽的炭阳极消耗在410(净耗)kg/t铝左右，而我国同类型电解槽炭阳极消耗为460~500kg/t铝。铝电解槽阳极质量上的差别反映了生产技术上的差距。由于供应的多渠道和质量检测手段落后，检测技术与质量标准和国际不接轨，缺乏对原材料性能、结构和成分对电极质量影响的系统研究，缺乏质量监督和按原料不同结构理化性能和成分进行配料等反面的工艺和技术研究，是造成阳极质量差的根本原因。除此之外，我国阳极制造的成本也较高。从技术方面看，一个重要的原则是我国电解铝厂用于生产焙烧阳极的环式炉石国际上60年代的技术水平，它不仅能耗高，而且生产能力低。目前发达 6国家敞开式环式炉的能耗指数为2.93×10kJ/t炭阳极，而我国同类型焙烧炉的能 6耗指数在6.0×10kJ/t炭阳极左右，两者相比后者是前者的两倍半还多。在生产能力方面，以挪威桑达尔铝厂为例，一个28室，每个窑7个电极箱的敞开式环式炉生产能力为8.3万t/a;而我国同类型环式炉的生产能力仅为2.8万t/a，其生产能力几乎是我们的3倍。由此可见，我国铝工业环式炉是非改造不可的。以抚顺铝厂为例，如果通过技术攻关和技术改造，现在的2.8万t/a的环式炉能达到目前国外水平，这一台炉壳满足全厂自焙槽改造对预焙阳极炭块的需要还有余，而不必另外再建两台这样大型的环式炉。 3. 我国铝电解槽的平均寿命短，是国外铝电解槽平均寿命的一半 在铝电解生产过程中，铝电解槽的阴极内衬不仅承受着热应力和高温冰晶石熔体的化学侵蚀，而且承受着高温熔盐电解过程的电化学侵蚀一经由此而引起的物理化学作用，最终导致电解槽内衬的破损，不得不进行停槽大修。 在九十年代国外系列电解槽的平均寿命可达到2500~3000天，而我国电解槽的平均寿命为3年半，约为1300天左右，是国外同类电解槽平均寿命的一半。电解槽大修时，要排放大量地含氟固体废料，对地下水和江河湖海造成水质污染。 4. 我国铝厂电解槽在较低的阳极电流密度下运行，存在着增大电流密度、提高生产率和降低成本的巨大潜力 在铝电解过程中，在现有电解槽结构不变或只改变阳极尺寸，用增加电流强度的方法，增加铝的产量，是降低铝电解生产成本一种最有效的 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 。近十几年年来，西方国家铝厂无论是边部加工，还是中间下料的预焙槽都在强化电流中不 断增加生产能力。西方国家铝厂通过这两种方法提高电流强度后，其电解槽生产能力大都比原设计和投产时的提高了很多。比较典型的例子是挪威奥达尔铝厂原设计150kA和160 kA。在九十年代他们在该系列184台电解槽的14台电解槽做实验，又将其电流强度增加到175kA，试验槽运行情况良好，电流效率达到92.5%。该厂已计划全系列电解槽电流强度都增加到175kA，即比刚开始时的电流增加了375kA，相当于产量比刚投产时增加了26.8%。如果考虑到电流效率的增加，产量增加可能超过30%。 目前值得我国铝工业界认真注意的一种倾向是，我国电解铝厂的阳极电流密 2度都是比较低的，一般不超过0.75A/cm;而现在国际上电解槽的设计和运行都向着高电流密度方向发展。我国的预焙阳极电解槽增产的潜力很大。 1.4 铝的冶炼方法 1.4.1 化学法冶炼铝 金属铝是丹麦化学家Oersted1824年用甲汞还原无水氯化铝制得得到一种灰色的金属粉末，在研磨时呈现金属光泽，但当时未能加以鉴定。1827年德国Wohler用钾还原无水氯化铝，得到少量细微的金属颗粒。1845年他把氯化铝气体通过熔融的金属钾表面，得到了金属铝珠，每颗约重10~15毫克，于是铝的物理性质得到了初步的测定。 1854年法国Deville用钠代替钾还原NaCl?AlCl络合盐，制取金属铝，钠和3 钾同为一价碱金属，但钠的原子量比钾的少制取每公斤铝所需要的钠大约为3.0~3.4公斤，而用钾则约为5.5公斤，故钠比较经济，当时称铝为―泥土中的金子‖。拿破仑三世对铝制品很感兴趣，在他的支持下建立了炼铝工厂。他还特地让工匠制造了一顶铝盔和一套铝餐具，以示其尊贵和豪华。可见当时铝的价格十分昂贵。1865年俄国Gmelingen提议用镁还原冰晶石来生产铝这一方案后，在德国铝镁工厂里采用。 自从1887—1888年间电解法炼铝工厂开始投入生产以后，化学法便渐渐停止了，在三十年内采用化学法大约生产了200吨铝。 1.4.2 电解法炼铝 在化学法炼铝期间，德国本森用电解NaAlCl熔盐制得了金属铝。当时，由4 于电价格太高而且不能获得大电流，因为不能进行工业电解试验。1867年发明 了电机并在1880年加以改进，这种电源才可于工业生产。1883年美国布拉雷提出冰晶石—氧化铝熔盐电解方案。三年之后即1886年，美国的C.M.Hall和法国的P.L.T.Heroult都在当年通过实验申请了冰晶石—氧化铝熔盐电解法的专利。这就是历来称呼的霍尔,埃鲁特法。这一方法的要点仍是近代冶金工业的基础。 目前工业生产原铝的方法是Hall,Heroult法，由美国Hall和法国的Heroult于1886年发明。Hall,Heroult铝电解法是以氧化铝为原料、冰晶石(NaAlF)36为熔剂组成的电解质，在950~970?的条件下通过电解的方法使电解质熔体中的氧化铝分为铝和氧，铝在碳阴极以液相形式析出，氧在碳阳极上以二氧化碳气体的形式逸出。每生产一吨原铝，可生产1.5吨的二氧化碳，综合耗电量在15000kwh左右。铝电解主要原料为氧化铝，副原料氟化盐包括冰晶石、氟化铝、氟化钙、氟化镁、碳酸钠等，阳极原料(阳极和碳阳极)以及以及铝电解能源—直流电。借直流电的作用，在阴阳两极上实现电化学反应，在阳极上得到气态物质，阴极上得到也太铝，其过程为: 3+Al(配离子) + 3e? Al 铝工业生产全部采用活性阳极，随着电解过程的进行，阳极碳参与电化学反应，生成碳的化学物—二氧化碳，反应式为: 2AlO(溶解的)+3C(固)直流电?4Al(液)+3CO(一次气体) 232 3+2-其电极反应为:AlO(固)溶解、电离?2Al(络合状)+3O(络合状)23 3+ 阴极:Al(络合状)+3e?Al(液) 2- 阳极:O(络合状)—2e?O(原子) 2O(原子)+C(固)?CO(气) 2 上述反应过程为当前铝电解的基本原理，依据此原理，随着反应不断进行，电解质熔体中的氧化铝，固体碳阳极不断被消耗掉，因此，生产中需不断向电解质中添加氧化铝和碳阳极，使生产得以连续进行。冰晶石在高温熔融状态下会发生挥发损失和其他机械损失，电解过程中也须做一定补充。除此之外，还需反应过程中供给大量的直流电能(约为13000,15000kwh/t,Al)以推动反应向生成铝的方向进行。 下图为铝电解生产的工艺流程图: 氧化铝 直流电能 载氟氧化铝 炭阳极块 气体净化 电解槽 载氟气体 氟化盐 废 气 原 铝 铝 锭 铸 造 图1.1 铝电解生产的工艺流程图 1.5 设计的意图及设计内容 毕业设计可以实现高等院校培养高级应用型、技术型人才培养目标和城镇规划专业培养目标所必须的实践性教学环节。通过毕业设计强化学生对基本知识和基本技能的理解和掌握，培养学生收集资料和调查研究能力，一定的方案比较、论证的能力、一定的理论分析能力和设计运算能力，进一步提高应用计算机绘图的能力以及编写编制的能力。另外对培养学生独立思考问题和解决问题的能力，为今后工作做好 技术储备，都具有十分重要的意义。 通过本次设计，学会冶金设计的基本方法、步骤，同时对电解铝的生产、各主要工艺参数、设备参数等的选择论证有更深入的了解。另外，有利于逻辑思维的锻炼，有利于治学态度的培养等，为今后从事本专业打下坚实基础。 设计的主要内容:首先考虑厂址选择的原则以及其要求选择最优厂址，其次对铝电解的主要技术经济指标进行选择以及论证，并对槽型进行选择及对其结构部件的尺寸进行计算，再次确定电解车间的一系列制度以及厂房尺寸，最后确定厂房的通风设备及电解槽的操作制度与车间劳动组织，并进行原铝的核算。 第二章 厂址的选择及论证 2.1 铝电解厂选择的重要性及选择原则 2.1.1 正确选择厂址的重要性 厂址选择是工程项目建设前期的主要内容和重要组成部分，厂址选择即新建项目具体位置的选择。厂址的优劣，对企业的经济效益、社会效益有直接的影响。确定选址范围和建厂地点，侧重考虑厂址的外部区域经济技术条件，包括:距离原材料、燃料动力基地和消费地的远近;与各地联系的交通运输条件;当地的厂际生产协作条件;供水、排水及电源的保证程度;原有城镇基础和职工生活条件;有否可供工业进一步发展、工业成组布局和城镇发展的场地;是否与城镇规划及区域规划相协调;土地使用费用、建筑材料来源及施工力量等。确定厂址最后具体位置，主要考虑项目设计任务书和厂区总平面布置的有关要求及投资约束条件。包括:厂址场地条件，如建设用地的面积与外形、地势坡度、工程地质与水文地质状况、地震裂度、灾害性威胁(如洪水、泥石流等)，土地征用的数量、质量及处理难度，厂址下有无矿藏等;距水源地的远近和给排水的扬程;修建铁路专用线与厂外公路等交通设施的工程量与投资;供电、供热设施的工程量及投资;距已有城镇生活区与公共服务设施的远近;―三废‖排放对城镇和周围环境的影响及环保费用等。 2.1.2 厂址选择的原则 厂址选择要考虑的问题很多，如工业布局、地区规划、文物古迹、军事设施、地方风俗、自然灾害、环境保护、交通运输、水电供应、少占良田、复地还田、减少拆迁、排水方便、发展余地、施工场地等问题。首先确定建厂选址的范围，然後具体确定厂址最後位置的比较方案，提出选址报告。 2.1.3 厂址选择的一般要求 厂址选择必须符合国家工业布局的基本原则，为充分利用各地区的丰富资源和各方面的有利条件，合理使用人力、物力、使生产出的产品能合理分配，从而使设计出的工厂在最少的投资下，获得最大的经济效率。一般要求如下: (1) 面积开阔，厂址的选择应考虑留有发展扩建的余地，同时也要注意节约用地，不妨碍农田水利建设及农民生活。 (2) 地面平坦，标高与铁路线差不多，在洪水水位标高以上。 (3) 环境保护，应该注意厂址的风向情况。 (4) 厂址应该具有较好的工程地质条件，不要在地震区、溶洞、土崩层等。 (5) 厂址应该设在水源的居民区下游，厂区与城乡之间应该有一定距离的防护带。 (6) 原料、动力的能源与运输条件能满足工业生产要求。 (7) 厂址应靠近城市，以便充分利用城市的交通工具和线路，供排水设施和动力设施以及城市住宅和文化福利设施。 首先要有充足的电能保证，铝生产的特点是耗电量大，因此铝电解厂应该建在靠近电站和煤炭资源丰富的地方。其次，廉价的电能供应，从生产了吧的成本中看，电耗占了相当大的比例。由于水电的成本大大低于火电，因而应建在大型水电站的附近。最后还要注意原料要充足，靠近原料基地，交通运输要方便，铝电解的原料是氧化铝，生产每吨铝理论上须1889公斤氧化铝，而实际上需1920~1940公斤，因而厂址应建在资源丰富的矿区附近，减少运输的费用。 2.2 厂址选择方案分析 2.2.1 方案一 把厂址建在河南省陜县 有力条件: (1) 地理条件 ，陜县坐落在连霍高速公路旁，有着非常有利陜县位于河南省三门峡市附近 的运输条件，交通便利，这样运输原料方便，减少运输成本。 (2) 电力、水源充足:陜县的电力资源可以由距陜县不远的的三门峡提供，这样就有充足的电力资源，陜县北临黄河，有着充足的水资源，这样电力资源和水资源就解决。 (3) 铝土矿资源丰富:河南的铝土矿储藏量居全国第2位，预测资源总量达10亿吨。陜县的铝土矿资源十分丰富，还有距其不远的三门峡，这两个地方是河南铝土矿资源的主要分布区。其次由于陜县位于河南与山西的交界处，它的铝土矿还可以从山西一些铝土矿资源丰富的地区运输来，由于交通便捷，这样运输成本会大大降低。 (4) 环境保护、厂址远离市区，环境保护污染对居民危害较小，并且尽量位 于风向的下风向处，厂址区地势宽阔，大大的减少了开发成本，还能有很大的发展余地。 不利条件:陜县没有充足的电力资源，要从别的地方输送，这样增加电力成本，没有便捷的电力资源。 图2.1为方案一厂址地形图: 图2.1 方案一厂址地形图 2.2.2 方案二 把厂址选在河南省偃师市曹沟地区 (1) 水电资源:由于偃师北临黄河，所以水源十分充足，而电力资源由别的地区的电厂输送，但是此地区的交通便捷，成本就会适当的降低。 (2) 原料:河南偃师地区是河南省铝土矿储藏量比较大的一个区域，而且在其北边附近的新安县以及西部的巩县都有着很丰富的铝土矿资源，所以厂址选在这里原料资源问题就解决了。 (3) 环境污染:偃师曹沟位于水源的下游，离市区较远，故污染轻微。 (4) 工程地质及水文条件:此处是连霍高速公路与洛开高速公路以及二广高 速的交汇点，交通十分的便利，大大降低运输成本，在交通运输上有着更大优势。 图2.2为方案二厂址地形图: 图2.2 方案二厂址地形图 2.3 厂址选择的最优方案 厂址选择最优方案的选择方法常用多因素综合评分法。其步骤如下: (1) 列出影响厂址选择的所有重要因素目录; (2) 根据每一个因素的重要程度分成若干等级，并对每一等级定出相应的分数。见表2.1: 表2.1 厂址分级评分标准表 等级 最优 良好 可用 恶劣 序号 因素 分数 1 8 7 6 4 地理环境 2 9 8 7 5 运输条件 3 9 8 7 6 接近原料基地 4 8 6 4 2 能源供应 5 8 6 5 2 用水供应 6 8 7 6 3 环保 (3) 根据拟建厂址情况，将各因素所给出的分数加起来，两者相比较，总分最高者即为最优方案。分级评分见表2.2所示。 表2.2 两方案的分级评分表 方案 一 二 影响因素 分数 6 7 地理环境 8 9 运输条件 8 9 接近原料基地 6 4 能源供应 5 6 用水供应 6 7 环保 39 42 总计 由以上两表可以可出，第二种方案要比第一种方案更佳，所以厂址选在偃师市曹沟。 第三章 铝电解主要技术经济指标的选择及论证 3.1 铝电解工艺流程图概述 现代铝工业中原铝的生产主要采用冰晶石—氧化铝融盐电解法。直流电通入电解槽，在阴极和阳极上发生电化学反应。电解的产物，阴极上是液体铝，如果阳极是炭质的，它参与电解反应，阳极界面上是CO(约70%~80%)和CO(约2 20%~30%)，如果是惰性的，不参与电解反应，则产生O气体。铝液是用真空2 包抽出经过净化和澄清后，浇注成商品铝锭，其质量达到99.5%~99.8%Al。阴极气体中还含有少量的有害氟化物和SO，经进化后，废气排入大气，收回的氟化2 物返回电解槽。生产流程图如下图所示: 直流电 冰晶石 氟化盐 氧化铝 碳素材料 烟 气 残极(预焙槽) 干法净化 电解槽 返回碳素生产线 废 气 排 空 铝 液 载氟氧化铝 澄清或净化 铸 造 铝 锭 图3.1 铝电解生产流程图 直流电通入电解槽，使溶解于电解质中的氧化铝在槽内的阴、阳两极发生电化学反应。在阴极电解析出金属铝，在阳极电解析出CO和CO气体。铝液定期2 用真空抬包吸出，经过净化澄清后，浇铸成商品铝锭。阳极气体净化后，废气排 空，回收的氟化物返回电解槽。电解槽温度控制在940~960?。 铝电解槽的生产指标，最重要的就是电耗率和生产率两项，生产率一般按日产铝计算(我国铝厂称之为昼夜产量) ,,33P=0.3356×I×γ×24×10=0.8054 Iγ×10公斤/月 平均电流平均电流 电耗率是单位铝产量所需的电能量: W=V/0.3356γ=2.98×V/γ(千瓦时/公斤铝) 平均平均 式中: I —平均电流强度(A) 平均电流 γ —电流效率(小数) V—平均电压(V) 平均 0.3356—铝的电化当量(克/A?时) 3.2 铝电解主要原材料的质量要求 3.2.1 氧化铝 氧化铝是电解生产金属铝的原料。氧化铝是一种白色粉末，俗称铝氧粉，分 33子式AlO，熔点为2050?，真密度3.5~3.6g/cm，堆积密度lg/cm左右，不溶23 于水而能溶解于熔融的冰品石中。工业氧化铝一般含AlO98%左右，并含有少23 量的SiO、FeO、TiO、NaO、CaO和HO。在电解过程中，电位正于铝的元223222 素的氧化物杂质，如SiO和FeO，都会被还原出来，被还原的Si和Fe进入铝223 内使铝的品位降低，而电位负于铝的元素的氧化物杂质，如NaO和CaO，会分2 解冰晶石，使电解质成分发生改变并增加氟盐的消耗量。为了得到优质金属铝，要求原料氧化铝化学纯度高、化学活性大、物理性能好及粒度适中。 1. 化学纯度。氧化铝中含有少量杂质如SiO、FeO、TiO、NaO、CaO等。22322在电解过程中，比铝更具正电性的金属氧化物(SiO、FeO、TiO)将会被电2232解析出的铝还原成金属进入铝液，从而污染金属铝，降低质量品级。比铝更具负电性的金属氧化物(NaO、CaO)则会与冰晶石发生反应，从而使电解质成分发2 生改变而影响电解过程(增大氟盐的消耗。水分的存在同样会分解冰晶石，还能生成有害的氟化氢气体而污染环境，并增加液体铝中的氢含量。另外氧化铝应该具有较小的吸水性，潮湿料进入槽内会引起电解质的爆炸。所以，电解铝生产对氧化铝的纯度提出了严格要求。 表3.1列出了我国的氧化铝成分质量标准。 表3.1 我国氧化铝成分质量标准 化学成分/% 牌号 AlO含量 杂质含量不大于 23 不少于 SiO FeO NaO 灼碱 2232 AO-1 98.6 0.02 0.02 0.50 1.0 AO-2 98.4 0.04 0.03 0.60 1.0 AO-3 98.3 0.06 0.04 0.65 1.0 AO-4 98.2 0.08 0.05 0.70 1.0 2. 物理性能。氧化铝的物理性能对电解铝生产很重要。电解炼铝对氧化铝物理性能的要求如下: ? 氧化铝在冰晶石电解质中的溶解速度要快。 ? 输送加料过程中，氧化铝飞扬损失要小，以降低氧化铝单耗指标。 ? 氧化铝能在阳极表面覆盖良好，减少阳极氧化。 ? 氧化铝作为电解铝生产的主要槽面保温材料，应具有良好的保温性能， 以减少热量损失; ? 氧化铝应具有较好的化学活性和吸附能力来吸附电解槽烟气中的氯化氢气体; ? 采用风动输送系统时，要求氧化铝的流动性要好。 可见电解铝生产除要求氧化铝能快速溶解于电解质中，还要求氧化铝对氟化氢气体有较好的吸附能力。氧化铝的晶型结构是决定其物化性能的主要因素，不同晶型结构的氧化铝其物化性能是不一样的:γ- AlO化学活性大，能较快溶解23 于电解质中(并对氟化氢气体有较好的吸附能力;而α- AlO化学活性小，在电23 解质中的溶解速度慢，对氯化氢气体的吸附能力较差，但导热系数低，保温性能好。所以要求氧化铝中γ- AlO和α- AlO的比例要适当，既要容易溶解于电解2323 质中，又不能吸附能力过大，造成氧化铝吸水性太强和保温性能差。 根据物理性能的不同，氧化铝一般分成三类:砂状、面粉状和中间状。 表3.2列出了不同类型氧化铝的物理性能。 表3.2 不同类型氧化铝的物理性能 Oα–Al氧化铝 安息角 灼碱/% 真密度 假密度 比表面积平均粒23 -3-32-1/% /g?cm /g?cm /m?g 类型 /(?) 度/μm 30~35 1.0 25~35 80~100 砂状 ，3.7 ，0.85 ，35 40~45 0.5 80~95 2~10 50 面粉状 ，3.9 ，0.75 35~40 0.5 40~50 50~80 中间状 ，3.7 ，0.85 ，35 从表3.2中看出，砂状氧化铝呈球状，颗粒粗，安息角小，γ- AlO含量较23高，具有较大的化学活性和流动性，适于风动输送、自动下料的电解槽使用以及在干法气体净化中作氯化氢气体的吸附剂。面粉状氧化铝呈片状和羽毛状，颗粒较细，安息角大并且α- AlO含量达到80,以上(保温性能好。中间状氧化铝介23 于两者之间。 目前，大型预焙槽生产已成为电解铝生产的主要方式(对砂状氧化铝的需求越来越大。我国砂状氧化铝的质量标准见表3-3。我国砂状氧化铝标准分成A、B和C三种。A型适用于有干法烟气净化设施的电解铝生产。B型适用于无干法净化设施的电解铝生产。C型是出于氧化铝生产工艺技术达不到A型和B型的标准而暂时制定的。表中的主要指标项目是必须达到的，从属指标项目则可适当放宽。 表3.3 我国砂状氧化铝的物理性能标准 , 项 目 , , 一般 最好 -1 45~65 50~60 40~55 比表面积/m2?g ，35 主要 -44μm粒子/% ，15 ，10 ，20 ，35 指标 破损系数/% ，18 ，12 ，20 ，40 -30.95~1.05 0.95~1.05 0.95~1.05 0.95~1.05 堆积密度/g?cm α–AlO 18~24 19~22 20~26 从属 ，35 23 指标 0.8~1.2 0.9~1.1 0.68~1.0 灼碱/% ，0.55 表征氧化铝物理性能的概念释义如下: 图3.2 安息角 (1) 安息角:是指物料在光滑平面上自然堆积的倾角(图3.2中的θ)，是表示氧化铝流动性能好坏的指标。安息角越大(氧化铝的流动性越差;安息角越小，氧化铝的流动性越好。 (2) 灼减:是指残存在氧化铝中的结晶水含量。 (3) 比表面积:是指单位质量物料的外表而积与内孔表面积之和的总表面积，是表示氧化铝化学活性的指标。比表面积越大，氧化铝的化学活性越好，越易溶解;比表面积越小，氧化铝的化学活性越差，越不易溶解; (4) 堆积密度(也称体积密度):是指在自然状态下单位体积物料的质量。通常堆积密度小的氧化铝有利于在电解质中的溶解。 (5) 真密度:是指不包括内外气孔体积的单位体积物料的质量(内气孔是指物料中不与大气相通的气孔，外气孔是指物料中与大气相通的气孔)。 (6) 假密度:是指不包括外气孔体积的单位体积物料的质量。 (7) 粒度:是指氧化铝颗粒的粗细程度。过粗的氧化铝在电解质中的溶解速度慢，甚至沉淀;而过细的氧化铝则飞扬损失加大。 (8) 破损系数:是氧化铝的强度指标。是指氧化铝在载流流化床中循环15min后，式样中-44μm则粒子含量改变的百分数。 3.2.2 冰晶石 冰晶石(NaA1F)，冰晶石是氧化铝的溶剂，是组成电解质的主要成分。冰36 晶石呈白色粉末状，不溶于水，熔点为1000?，是一种稳定的化合物。天然冰晶石储量很少，现代电解铝工业使用的冰晶石为人工合成冰晶石。 表3.4列出了人造冰晶石的质量标准。 表3.4 人造冰晶石质量标准(GB/T4392-1999) 化学成分/% 不小于 不大于 等级 灼碱(550?, -2F Al Na SiO FeO SO CaO PO HO 2234252 30min) 53 13 32 0.25 0.05 0.7 0.1 0.02 0.4 2.5 特级 53 13 32 0.36 0.08 1.2 0.15 0.03 0.5 3 一级 53 13 32 0.4 0.1 1.3 0.2 0.05 0.8 3 二级 冰晶石作为溶剂，理论上，在电解过程中是不消耗的，但在实际中，由于存在挥发损失、炭素内衬的吸附和机械损失等原因，使冰晶石在生产中有一定的消耗量，一般情况下，每生产1t铝的冰晶石消耗为5~15kg。 3.2.3 添加剂 1. 氟化铝(AlF)。 3 氟化铝为人工合成产品，呈白色粉末状，其沸点为1260?，挥发性很大由于在电解生产过程中，一是电解质中的氟化铝会挥发，二是原料氧化铝所含的氧化钠(NaO)和水分(H0)在进入电解质中后，也会与电解质发生化学反应(生22 成氟化钠和氟化氢，从而使电解质成分发生改变，分子比升高，影响电解生产。所以添加氰化铝的目的就是调整电解质的分子比，保证电解质成分的稳定。其单位消耗量为20~30kg/t铝。表3.5列出了铝电解用氟化铝的质量标准。 表3.5 氟化铝质量标准(GB/T4292-1999) 化学成分/% 等级 不小于 不大于 -2F Al Na SiO FeO SO PO HO 2234232 61 30 0.5 0.28 0.1 0.5 0.04 0.5 特一级 60 30 0.5 0.3 0.13 0.8 0.04 1 特二级 60 28.2 3 0.3 0.13 1.1 0.04 6 一 级 58 28 3.5 0.35 0.15 1.2 0.04 7 二 级 2. 氟化钠(NaF) 在电解槽开动初期，由于电解质被炭素内衬选择性吸附钠盐造成的分子比下降而加入。氟化钠也能被碳酸钠代替使用，效果一样。工业上要求氟化钠咋红的NaF含量不小于94%。氟化钠标准见表3.6: 表3.6 氟化钠质量标准(GB4293-84) 化学成分/% 级别 NaF NaCO NaSiF SiO NaSO HF HO 不溶物 23262242 98 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 一级 94 1.0 0.8 2.0 2.0 1.0 1.0 3.0 二级 3. 氟化钙(CaF) 2 氟化钙(萤石)为天然物质，呈暗红色粉末状，是一种添加剂能降低电解质的熔点和改善电解质的性质。常在电解槽启动装炉时用，目的在于有利于形成坚固炉帮。对氟化钙的质量要求是:CaF?95%，CaF?2%，SiO?1.5%，(AlO，22223FeO)?0.5%，HO?1%。 232 4. 氟化镁(MgF) 2 氟化镁呈暗红色粉末状，是一种添加剂，比氟化钙更能降低电解质熔点和改 善电解质的性质。其单位消耗量为3~5kg/t铝。 5. 碳素材料 在电解过程中，阳极要在高温下直接与腐蚀性强的电解质接触，并且还要具有良好的导电性，能满足这种耐高温、耐腐蚀、电阻小、价格低廉等要求的只有碳索材料。 在电解过程中，由于炭素阳极会被氧化铝分解出来的氧所氧化，阳极会逐渐消耗，因此，需要定期添加块状阳极糊或更换预焙阳极块。 阳极糊是在铝电解的自焙阳极电解槽上作为阳极导电材料使用的。这种导电材料在加到电解槽上之前未被烧结，而是在电解过程中自发烧结而形成阳极因此也称为连续自焙阳极。它不仅起导电作用，而且也参与电解过程中的电化学反应。之所以被称为阳极糊是因为在电解槽上导入电流的一端叫阳极。 阳极糊本身是电的不良导体，但在阳极壳体中由于受到电解槽高温电解质供热及阳极自身所产生的焦耳电阻热的作用，其阳极下部逐渐自行焙烧成导电性能 较好的炭阳极锥体。在电解生产中，随着阳极下部不断被氧化消耗掉，阳极必须定期向下移动，同时焙烧带逐渐上移，使焙烧带保持在一定范围的水平上。为了连续不断地进行生产，还必须在壳体上部定期接上新铝壳及补充阳极糊。电解生产1t铝锭，大约需要消耗500 kg左右的阳极糊。阳极糊是由石油焦、沥青焦及沥青制成的。 阳极糊的产品规格有两种:一种足电解槽正常生产用的富油阳极糊(沥青含量约27,~34,)，另一种是新电解槽启动初期使用的贫油阳极糊(沥青含量22,~26,)。这两种糊的原料及生产工艺流程完全相同，仅配料比不同。贫油阳极糊是根据使用单位特殊定货而生产的，常规生产的都是富油阳极糊。富油阳极糊按灰分含量分成三个等级，其成品质量指标见表3.7: 表3.7 阳极糊的质量标准 -2等级 灰分/% 电阻率/μΩ?m 抗压强度/kg?cm 空隙度/% <0.5 <85 >270 <32 优级品 <1.0 <85 >270 <32 一级品 <1.5 >270 <32 二级品 不规定 对阳极糊的质量要求如下: (1) 灰分少。因为炭家阳极在铝电解过程中会连续消耗并且数量很大，若灰分多，特别是铁、硅、铜、钻等氧化物存在，这些金届元素会同时电解析出进入铝液，从而影响了原铝质量，降低了铝的品位，冈此要求阳极糊的灰分含量越低越好。 (2) 导电性能好。由于阳极本身是用做导入电流的物体，故要求它的电阻要小。电阻小，阳极电压降低，当电解槽其他条件不变时，电耗自然也降低。电阻的大小，一般用电阻率表示。阳极糊的电阻率要求小于85μΩ?m。 (3) 具有一定的机械强度，亦称抗压强度。抗压强度一般用抗压力表示。在电解槽上的阳极，其本身的体积、质量都很大，而且全部由插入阳极内的阳极钢棒支撑和吊挂着，同时在阳极操作过程中会造成振动或受力不均，若阳极不具有一定的强度，就耍产生裂纹和掉块，给电解生产带来不良影响。目前要求阳极抗压强度大于27MPa(270kg/cm)。 (4) 空隙度小。电解槽上的阳极糊在自焙过程中由于沥青挥发、焦化会产生 一定的孔隙，这些孔隙不仅会使阳极的强度降低，电阻增加，而且会使阳极的氧化损失增加，使电解质中的炭渣增多，从而影响正常生产。目前要求阳极糊的孔隙度小于32,。 3.3 主要技术经济指标的确定与论证 3.3.1 电流强度 电流强度:是指在电解过程中，电流通过电解槽的安培数。电解槽的电流强度的大小直接影响其电解产量，电流强度太低，那么铝的产量也低，对工业的发展，企业的生存及盈利不利，所以电流强度不能太低。而电流强度太高，第一，虽然产铝量增大，但槽容量增大，必然增大槽型，从而厂房占地增大，建设投资也增大;第二，随着电流强度增大，电流密度进一步降低，槽又增大，母线用量，并导致单位产品投资增加;第三，随着电流强度增加，磁场作用增强，槽中铝液的隆起于波动加强而使生产指标下降。 经实践表明，电解槽的生产率随着电流强度提高而增加。但是其提高幅度随电流效率而异。电解电耗率(ω)在提高电流初始，显降低趋势，以后显增加趋势。从电耗率来看，补偿加热物料和产能分解AlO的能量基本上变化微小。补23 偿电解槽损失的能量(ω)在初始时有所减少，但以后还渐渐增加，而且它的热耗 变化趋势决定性的影响着电解槽效率的变化趋势。所以要选择一个适当的电流强度，本设计选择的电流强度是170kA。 3.3.2 电解质 1. 密度 3密度是指单位体积的物质的质量，单位为g/cm。 3电解温度下，铝液的密度变化小，维持在2.3g/cm。但电解质的密度会随着温度的升高和氟化铝、氧化铝含量的增加而降低。上层电解质的密度越小(与下层铝液的分层就越好，铝的损失就越小。在电解过程中，由于电解质温度是变化着的，电解质中的氧化铝也是不断消耗的，所以电解质密度会发生波动，有可能导致分层不清，造成铝的损失增加。因此，维持电解质的温度稳定和氧化铝含量稳定对生产是十分有利的。预焙槽的下料方式能够很好达到这个目的，使电解质 3维持在2.1g/cm的水平上，与铝液分层清晰。 2. 电导率 电导率也被称为比电导或导电度，它是物体导电能力大小的标志，生产上通 -1-1常用比电阻的倒数来表示。单位为:Ω?cm。 提高电解质的电导率对电解铝生产是非常有意义的。因为工业生产中的电解质电压降占槽电压的36,~40,，改变电解质电压降对电耗的影响是非常大的。所以电解质导电性越好，其电压降就越小，越有利于降低生产能耗。 电解质熔体的电导宰会受到电解温度、电解质分子比、炭渣、氧化铝及添加剂的影响。 (1) 电解温度的影响。在正常电解过程中，槽内只有少量炭渣时，电解质的电导率随温度升高而提高。这是因为温度高能使电解质黏度降低，离子间的内摩擦减小，离子运动速度加快所致。反之，温度降低则电导率下降。但是在生产中不能用提高电解温度的办法提高电导率，因为提高电导率的效益补偿不了电流效率降低的损失。 (2) 电解质分子比的影响。电解质的分子比低时，电导率降低;而分子比高时，则电导率高。见表3.8: 表3.8 电解质分子比与电导率的关系 3.0 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 分子比 -1-12.66 2.049 2 1.953 1.934 1.852 1.798 1.75 电导率/Ω?cm (3) 氧化铝浓度的影响。电解质电导率随氧化铝浓度的增加而降低。在加料之后，电解质中氧化铝浓度增加，电导率减小，以后随着电解过程的进行，氧化铝浓度逐渐降低，电解质的电导率也随之逐渐提高。 根据当地的建厂条件和槽子的要求，并为了保证有较好的电效，应尽量维持较低的AlO浓度。根据槽子和加料的能力，我们可将AlO浓度控制在23232.5~4.0%，这样电效在85%以上。为了避免电解槽内出现大量沉淀，因而宜采用低浓度进行生产。本设计选择并确定AlO浓度为3~4%。 23 3. 黏度 黏度是表示液体中质点之间相对运动的阻力，也称内部摩擦力，单位为Pa?s(帕?秒)。熔体内质点问相对运行的阻力越大，熔体的黏度也就越大。 -3工业铝电解质的菇度一般保持在3×10Pa?s左右，过大或过小，对生产均不 利。电解质黏度过大会造成: (1) 电解质流动性差，阳极气体不易排出，炭渣分离不清，增加电解质的比电阻。 (2) 电解质循环不好(会造成其成分和温度不均，易形成阳极中心温度过高。 (3) 电解质内部阻力大，会降低电解质的电导率。 (4) 减缓了电解质中铝颗粒的沉降速度，增加铝的损失; 而电解质强度过小则会造成: (1) 会加快电解质的循环，加剧铝的溶解与氧化速度，增加铝的损失，降低电流效率。 (2) 加快了氧化铝在电解质中的沉降速度，使氧化铝在电解质中没有足够的溶解时间，易生成氧化铝沉淀。 在生产中的电解质保持适宜强度的标准是:电解质的流动性好、温度均匀、炭渣分离清楚、电解质干净和沸腾有力。 影响电解质黏度的因素(主要是电解质的成分和温度。温度能影响粒子的运动速度，温度升高，粒子的运动速度加快，则电解质黏度随之降低，反之则升高。氧化铝溶解在冰晶石熔融液中生成了铝氧氟络合离子，它的体积较为庞大，能引起熔融液强度增大，数量越多则电解质黏度越大。电解质中氧化铝含量在10,以内时，生成的铝氧氟络合离子数目少，对黏度的影响也较小。但当超过l0,时，则电解质的教度开始显著上升。 4. 各种添加剂对电解质性质的影响 在电解铝生产中，为了改善电解质的性质，有利于生产，通常向电解质中添加各种添加剂，以达到提高电流效率，降低能耗的目的。 物质能作为铝电解添加剂的条件为: (1) 在电解过程中不参与电化学反应，以免电解析出其他元素影响铝的纯度。 (2) 能够对电解质的性质有所改善。 (3) 对氧化铝的溶解度不至于有太大影响。 (4) 吸水性和挥发性要小: (5) 价格要低廉。 但是目前还未找到能够同时满足上述要求的添加剂，能够部分满足上述要求的添加剂除了氟化铝外，在工业上常使用还有氟化钙、氟化镁和氰化理。 这几种添加剂对电解质性质的影响见表3.9: 表3.9 几种添加剂对电解质性质的影响 项目 初晶温度 密度 电导率 黏度 挥发性 氧化铝溶解度 可降低初可减小电可减小电可减小电增大电解减小氧化铝在电解氟化铝 晶温度 解质密度 解质电导解质黏度 质的挥发质中的溶解度 率 性 可降低初可增大电可减小电可增大电降低电解减小氧化铝在电解氟化钙 晶温度 解质密度 解质电导解质黏度 质的挥发质中的溶解度，有利 率 性 于槽帮形成 可降低初可增大电可减小电可增大电降低电解减小氧化铝在电解氟化镁 晶温度 解质密度 解质电导解质黏度 质的挥发质中的溶解度和溶 率 性 解速度 可降低初可增大电可增大电可减小电降低电解减小氧化铝在电解氟化锂 晶温度 解质密度 解子密度 解质黏度 质的挥发质中的溶解度 性 从表中可见，几种常用添加剂都具有降低电解质初晶温度的共同优点，这对电解铝生产极为有利。但共同缺点是降低氧化锅在电解质中的溶解度和溶解速度。生产中为了减少其危害，通常采用低氧化铝浓度生产，使电解质中氧化铝浓度远未达到饱和状态，这样可以保证固体氧化铝及时溶解。 这些添加剂除了上述共同点外，又各具有其他不同的优点和缺点。氟化铝的最大缺点是增大电解质的挥发损失，从而恶化工人劳动条件。氟化钙在降低电解质初晶温度方面稍逊于其他几种。但氟化钙货源充足，价格低廉，故应用十分普遍，氟化镁也是较为理想的一种添加剂，在我国使用较为广泛。氟化理价格昂贵，这在—定程度上使其应用受到限制。 生产中为了有效地改善电解质的性质，通常将几种添加剂配合使用，控制其含量，尽量发挥各自的优点，避开其缺点。目前较为普遍的是将氟化铝、氟化钙、氟化镁等添加剂同时使用，其总量控制在10,左右，这样可控电解质初晶温度降低到930?左右，其他物理性质也不会有明显的恶化，将电解生产工作温度控制在940~950?范围内，这在生产中已收到显著效果。 3.3.3 电解温度 铝的熔点为660?，制取液体铝，电解温度只要高出铝熔点100~150?,即电 解温度在700?~800?左右，但是冰晶石,氧化铝电解质的初晶温度很高，电解过程的温度至少应该高出电解质熔度5?~15?，所以电解温度一般为950?左右。 温度影响铝在电解质中的溶解度特别是溶解铝的扩散速度，因为扩散到阳极氧化区的速度越快，电流效率的损失就越大。温度对个因素的影响: (1) 当电解温度升高时，铝在熔体中的溶解度增大，亦即C增大; (2) 当电解温度升高时，熔体的黏度变小，电解质的循环速度将增大，这意 味着扩散层的厚度δ变小; (3) 扩散系数D也随着温度的升高而增大。因此，电解温度升高，q值增大， 意味着铝的二次反应加剧，铝的损失增大，电流效率降低。 电解温度过高，能耗大，投资成本大，并且难以测量及控制。因此，只有在电解质熔度允许的条件下，尽可能降低电解温度。本设计的电解温度确定在940?。 3.3.4 极距 极距既是电解过程中的电化反应区域，又是维持电解温度的热源中心，对电流效率和电解温度有着直接影响。 增加极距能减少铝的损失，会使电流效率提高。这是因为溶解在铝液镜面附 +近的电解质中的铝粒子和单价铝离子(Al)扩散和转移到阳极附近的距离增加，并且电解质的搅拌强度减弱的缘故。但是由于极距增加，槽工作电压也升高，会增加电能的消耗。另外，电解质的热收入增多，温度升高又对电流效率产生不利影响。 缩短极距可降低槽电压，节省电能。但是过度地缩短极距会使铝的损失增加，降低电流效率。 在各类型电解槽中(极距一般保持在4~5cm之间，自焙槽偏低，预焙槽偏高。因为预焙槽阳极数目众多，使每块阳极都严格地保持在同一水平距离有困难，另外预焙槽保温性能不如自焙槽，也使预焙槽的极距要略高一些。同时也不应有极距太低的炭块出现，因为这会引起电流分布不均，造成局部过热和槽工作电压的摆动。 3.3.5 电解质水平和铝液水平 1. 电解质水平 电解质水平是指电解质液体在槽内的高度。电解质是溶解氧化铝的溶剂，保持合适的电解质水平对电解槽平稳而有效地进行生产有重要作用。电解质水平高低取决于电解槽的类型、容量，阳极电流密度，下料方式和操作制度，铝液水平以及操作人员的技术水平。 维持适当的电解质水平会有以下优点: (1) 可以使电解槽具有较大的热稳定性，电解温度波动小。 (2) 有利于加工时氧化铝的溶解，不易产生沉淀。 (3) 阳极同电解质的接触面积增大，使槽电压减小; 电解质水平过高则会有以下缺点: (1) 阳极埋人电解质中太深，阳极气体排出时，电解质搅动加大，引起电流效率降低。 (2) 阳极埋人电解质中太深，则从阳极侧部通过的电流会增加，阳极侧部通过电流过多时，上部炉帮易熔化难于维持，严重时还会出现侧部漏电或侧部漏炉现象，特别是电解质水平过高而铝液水平过低时，该现象更为明显: 电解质水平过低则会有以下缺点: (1) 电解质热稳定性差，对热量变化特别敏感。 (2) 氧化铝在电解质中的溶解量降低，易产生大量沉淀，阳极效应增加。尤其过低时，易出现电解质表面过热或病槽，增加原材料消耗和降低电流放率。 中间下料顶焙槽的电解质水平要比边部下料自焙槽的电解质水平高。原因如下: (1) 中间下料预焙槽的下料部位固定在槽的两排炭块之间的狭小区域，并且是频繁下料，如果电解质水平低。则易在该局部区域形成沉淀。而边部下料自焙槽的下料部位是在大面，下料区域大，间隔时间长，所以即使电解质水平低一些，在正常运行时也石会在局部区域形成沉淀。 (2) 中间下料预焙槽由于是局部频繁下料，电解质水平高，则槽内电解质数量多，能溶解的氧化铝量也多，减少了其沉淀量。 在生产过程中，电解质水平的高低是与铝液水平的高低紧密联系的，电解质水要相应于铝液水平而保持，维持电解梢的热平衡，热平衡一旦遭到破坏，两者的高度就会变化。所以电解温度的波动会直接影响到两者的高度变化。电解温度 过高，则槽底和槽侧的电解质沉淀和结壳熔化，使电解质水平提高而铝液水平降低。反之，电解温度过低，则槽底和槽侧的电解质沉淀和结壳就会增多增厚，使电解质水平萎缩而铝液水平提高。 2. 铝水平 铝水平对电流效率的影响是必然的，随之增加，电流效率增大，但大到一定值后，电流效率又会随铝水平的增加而减少，因此应控制一个叫为合适的最佳铝水平，一般为18~20cm，本设计取19cm。 铝水平偏高时会造成以下非正常现象: (1) 传导槽内热量多，会使槽温下降，炉底变冷，产生沉淀，炉底状况恶化，热阻增加，通过炉底的热量减少，从而加大侧部散热(最终形成侧部炉帮下部伸腿伸长的畸形炉膛。 (2) 下部伸腿伸长，则会给正常作业带来困难，反过来又加剧槽的恶化。 铝水平偏低时会造成以下非正常现象: (1) 发热区接近炉底，铝液传导热量减少，炉底温度高，虽然炉底洁净，但炉膛过大，铝液镜面大，铝液中水平电流密度大，在磁场作田下产生强大的椎力，加速铝液运动，槽工作电压出现大幅度摆动，过低时，甚至滚铝，演变成大病槽。 (2) 铝的二次反应严重，电流效率下降。 (3) 聚集在阳极下面的炭渣被烧结成饼、长包。 由以上分析可见，对电解槽的铝水平控制十分重要，重点是保持稳定的铝水平，防止偏高或偏低。 对铝水平的控制，首要条件是采用正确的测量方法，取得准确的铝水平数据。 3.3.6 效应系数 阳极效应系数是指每日分摊到每台槽上的阳极效应次数。 阳极效应的发生在电解铝生产中的好处有以下几点: (1) 在效应发生时，电解质对炭粒的湿润性不良(增加了炭渣从电解质中分离出来的机会。从而使电解质比电阻下降，电解质压降降低，在保持电解槽热量同等输入的情况下，极距就可抬高，铝的溶解损失降低，电流效率提高。 (2) 阳极效应所产生的热量有60%可用于溶解氧化铝，有助于控制槽内的沉淀数量，可作为AlO投入量的校正依据。现在的铝电解槽尚未有实时检测电解23 质中氧化铝浓度的手段，不可能做到按需下料。而定时下料术可避免要出现偏差:这些偏差积累到一定程度会使槽正常运行失调，必须及时清理校正，清理的手段即是人为设定效应间隔时间，即进行一段时间的正常加料后，停止加料—段时间，让其消耗积料直到发生效应，证明槽内积料己被清理完。若停止加料期间不发生效应，说明积料未完全消除，需延长正常加料间隔进行校正。相反，若效应提前发生，说明投入料量不足，需缩短加料间隔加以补充。 (3) 补充电解槽热量的不足。 (4) 清理阳极底掌表面及槽中其他炭素物质(即炭渣)。 但是，阳极效应发生过多对生产也不利，原因如下: (1) 阳极效应发生时，槽电压很高，浪费大量的电能。 (2) 增加氟化盐的蒸发损失，浪费物料: (3) 发生效应时，系列电流往往会下降。如果效应次数过多(则系列电流会频繁下降，影响其他槽的热量收入，使其他槽的产量减少和电解温度下降，严重时易形成供电和电解生产之间的恶性循环反应，造成生产混乱。 所以在电解铝生产过程中，是需要电解槽发生阳极效应的，但是对阳极效应系数的确定应权衡利弊，加以适当控制，使之尽可能少。 3.3.7 电流效率 1. 电流效率的概念 电解铝的电流效率(η)是指在电解槽通过一定电量(一定电流与一定时间)时，阴极实际析出的金属铝量与理论应析出的金属铝量的百分比，是电解铝生产重要的技术经济指标之一。 电流效率(η)=实际产铝量/理论产铝量×100% 在实际生产中，常按出铝量计算―出铝电流效率‖即―铝液电流放率‖(但此值不是真实的电流效率，二者相差为周期始末槽中铝量差。比铰精确的计算电流效率方法是将经盘存的槽中周期始末的铝量差再加上周期内的出铝量得出周期内实际产铝量，然后再与周期内理论产铝量相比。 2. 影响电流效率的因素 (1) 电解质温度 根据对铝电解槽的测量表明，温度每升高10?，电流效率大约降低1%~2%。 见图3.3，温度对电流效率的影响是显著的。这是因为温度升高，电解质温度降低，电解质循环强度和速度提高，从而使铝的溶解和损失速度加剧。因此，电解槽应力求避免热槽等现象，这对于提高电流效率是有好处的。 但是如果控制温度过低，电解质将会非常熟稠，强度、密度都将增大，铝与电解质的分离不好(使铝的机械损失增加。另外，也使电解质电阻增加，导致槽电压升高，电解槽的热收入增加，反而会使槽温由冷转热，电流效率因此下降。 电解铝生产时，通过添加某些氟化物降低电解质的初晶温度来降低电解温度是十分有利的，添加剂的加入能使电解质在不增加黏度的情下降低电解温度，提高电流效率。 图3.3 温度与电流效率的关系 从图可看出，电流效率所对应的电解温度有一最佳值(在这个温度下，电流效率是最大的，高于或低于这个温度，电流效率都将降低。但是不同成分电解质的初晶温度不同，则这个最佳温度值也不同，这要根据电解质的性质而定。本设计的电流效率取92%。 (2) 极距 极距是指阳极底掌到阴极铝液镜面之间的距离。随着极距的增大，电解质的搅拌强度减弱，因为相同的气体量所搅拌的两极间的液体量增加。搅拌减弱，电解质循环强度和速度降低，则使扩散层厚度增加，使铝损失减少，电流效率增加。 极距对电流效率的影响见图3.4，其他条件不变时，增加极距能使电流效率 提高。电流效率的表现为最初增加很快，但后来随着极距进一步的增加则增加逐渐缓慢，以致最后不再变化。这是因为当其它条件不变时，极距增加，一是增 加了溶解铝由阴极转向阳极的路程，使溶解铝的转移速度减小。二是阳极气体从电解质中溢出所造成的电解质循环强度减弱，溶解铝的转移速度同样也会减小。因此，增加极距时，能提高电流效率。 但是，在生产中极距也不能随意增加，因为极距过分增大，会使电解质电压降增加，因而使槽电压增加，造成电能消耗增大。同时，在极距过大时还会造成电解槽热平衡遭到破坏，热收入过大，使电解质过热，反而会使铝的溶解增加，电流效率降低。 通过添加剂调整电解质成分，使电解质的电阻降低，则可以在不增加热收入的情况下增大极距以增大电流效率。因此，必须从电流效率和电能效率的综合结果来选择极距大小。 图3.4 极距对电流效率的影响 (3) 电解质成分 在电解质成分中，要求分子比有一定得比值，一般来说，分子比等于2.5~2.7时，电流效率最高。但不能过低，否侧不容易控制。 (4) 添加剂 添加剂对电流效率的影响，基本上与对铝损失的影响相反。一般说来，凡是能够使铝损失量减少的添加剂，都能够使电流效率提高。在各种添加剂中，使铝损失量减少者为MgF、CaF、BaCl、LiF和NaC1，MgF使铝损失量减少的效2222 果最好。氟化镁对电流放率的良好影响早已为工业电解槽所证实。 n(NaF)/n(AlF),2.6~2.7，A10含量在3%~4%，MgF含量在5%的电解质，3232 可在950~960?之下进行电解，提高电流效率1.5%~2%。而MgF含量更高者，2可在930~940?之下进行电解，电流效率达到90%。现在世界各国铝厂大型电解槽都采用l0%~12%过量AlF电解质，普遍达到了较高的电流效率。 3 2. 电流效率降低的原因 引起电流效率降低的原因主要有下列两大类: ? 铝的溶解和再氧化反应:铝被阳极气体氧化，造成铝的损失; 2Al(l)+3CO(g)?AlO(l) +3CO(g) 2 23 2Al(l)+3CO(g) ?AlO(l) +3C(s) 23 ? 铝的不完全放电:高价铝离子的不完全放电(又称为铝的电化学氧化过程)，是造成电流效率降低的重要原因之一。 巴拉特(B.J.Barat)等在微型实验电解槽上研究电流效率与电流密度和极距关系过程中发现，当电压低于氧化铝分解电压时，电解池两极之间存在一个稳定电流(他们称为极限电流)。这表明在阴、阳发生了电化学反应，其电解产物循环于两极之间，这种产物可能是一种低价铝离子-高价铝离子不完全放电产生的。 3++ 在阴极，Al+2e?Al 当它转移至阳极时，又在阳极上被重新氧化成高价铝离子 +3+在阳极，Al?Al-2e 这些反应反复进行，造成电流的无功损失。研究还指出，这种极限电流时随温度的升高、熔体中氧化铝含量的增加以及搅拌强度的增强而增大的，在低电流密度下，这种电化学过程的可能更强烈。 ? 其他离子放电: 在冰晶石-氧化铝熔体同时存在多种离子，各种原料也不可避免地带入各种杂质。因生产条件的变化，使得有些离子优先放电，或与铝离子共同放电，而造成电流效率的降低。 ? 其他损失: 水的电解、炭化铝的生成、溶解的金属和低价离子中的剩余电子起传递电荷的作用造成的电流空耗、两极间的极短路、漏电、出铝时的机械损失等都是造成电流效率下降的原因。 第四章 铝电解槽的设计计算 4.1 铝电解槽槽型选择及论证 4.1.1 工业铝电解槽的发展状况 铝电解槽是炼铝的主要设备。霍尔-埃鲁特电解炼铝法自诞生以来，一直是工业上大规模炼铝的唯一方法，一百多年来，工业电解炼铝虽然仍旧是建立在冰晶石-氧化铝熔盐电解法的基础上，但是无论是理论上还是工艺上都取得了长足的进步，电解炼铝的技术经济指标和环境保护水平都全然改观、远非往昔可比。 预焙阳极电解槽又分边部加料槽和中间加料槽两种。19世纪末开始用小型预焙阳极电解槽生产，电流在8000安以下,直流电耗高达42000千瓦?时/吨。1923年以后，这种槽型为侧插阳极棒自焙槽所代替，到20世纪30年代末，电流强度最高达 25000安，直流电耗为20000~25000千瓦?时/吨。侧插阳极棒电解槽的特点是技术装备简单,投资较小;但缺点是烟气处理比较困难，机械化程度较差，不易大型化等。 为了提高电解槽的机械化操作水平，改进烟气收集和净化的方法，50年代法国开始使用上插阳极棒自焙槽;到60年代直流电耗达 14500千瓦?时/吨左右，并大大提高了劳动生产率。80年代的上插阳极棒自焙槽又得到了改进，吨铝直流电耗降低到13800千瓦?时左右，并由于阳极工艺的改进，采用了―干阳极糊‖(用高软化点沥青、低沥青配比的阳极糊)大大减少了沥青烟气的散发，改善了环境保护的条件。上插阳极棒电解槽的优点是:机械化水平较高。缺点是不易大型化，烟气处理也比较困难。 由于铝电解的生产需要大量电能，故降低单位铝产量的电能消耗是历来全力以赴的目标。生产初期，电耗高达42千克?时/公斤铝，以后，随着电解槽生产能力的增加，阳极和导电母线的电流密度的减小，电解槽结构的改进和生产操作的改善，电耗已有所下降，现在一般为13.5~16.0千克?时/公斤铝，有的甚至低到12.8千克?时/公斤铝。 现代化的大型电解铝厂多数采用中间加料大型预焙槽(典型实例见图4.1),其优点为单槽产能高，打壳加料可以自动化，适于用计算机控制，电解槽密闭程度高，集气效率高(90,95,)。 图4.1 预焙阳极电解槽示意图 1 氧化铝斗和自动下料装置 2 阳极母线架 3 碳阳极 4 碳阴极 5 冰晶石-氧化铝熔液 6 液体铝 7 槽罩 8 槽壳 9 钢阴极导电槽 10 耐火砖保温层 11 铝阳极导电棒 中国50年代开始建立了铝电解工业，对侧插阳极棒自焙槽的建设和生产积累了丰富的经验，吨铝直流电耗达15000千瓦?时以下，80年代建成的160000安的中间加料大型预焙槽，直流电耗可达13800千瓦?时左右。 4.1.2 槽型的选择及论证 自焙阳极定期补充阳极糊，因而能够连续使用，而预焙阳极消耗到一定高度时就要更换，不可连续使用。但是自焙阳极有其缺点，首先是它本身所带的粘结剂沥青在槽上烧结时进行分解，散发出有害烟气，使劳动条件恶化，另外它本身的压降大。而预焙阳极已经在专用的被烧炉内焙烧过，它的沥青烟气正好当作燃料使用，不在铝电解槽上散发出来。 现代铝工业有两类四种型式的电解槽: (1) 自焙阳极电解槽 1) 旁插棒式 2) 上插棒式 (2) 预焙阳极电解槽 1) 不连续式 2) 连续式 下图4.2为四种电解槽的简图: 侧插棒式自焙阳极电解槽 上插棒式自焙阳极电解槽 预焙阳极电解槽(边部打壳) 预焙阳极电解槽(中部部打壳) 图4.2 四种电解槽简图 中间下料的大型预焙槽具有以下优点: (1) 机械化和自动化的程度可以得到充分的发挥。 (2) 从投资看预焙槽的阳极简单投机少。 (3) 随着环保意识的提高，保护地球的呼声日益加剧，预焙槽的发展越来越 明显，所以该设计的槽型选择为中间下料大型预焙槽。 根据现代铝工业的发展趋势及我国产业政策，并结合设计的实际情况综合加以分析考虑，选用并确定使用大型预焙阳极电解槽。 下表为几种槽的对比情况: 表4.1 几种槽型对比情况表 项目 旁插式 上插式 预焙槽 说明 槽造价 高 中 低 预焙槽结构简单 在相同的阳极电压下预焙槽阳极压降为30毫阳极电压 大 中 小 伏，上插槽、侧插槽分别为400、500毫伏。 铝的纯度(铁、中 中 少 硅含量) 氟化氢气体逸多 多 少 自焙槽氯化盐单耗高于预焙槽 出量 槽内气体量 中 大 少 预焙槽较侧插槽密闭性好，上插槽密闭性差 厂房内卫生条不好 不好 好 预焙槽无沥青烟气减少了车间内部的烟害程度 件 旁插式结构限制，阳极操作多而且难于实现机阳极操作 难 中 容易 械化和自动化 阳极操作工序难 中 容易 预焙槽结构简单，便于维修 机械化 阳极效应 中 多 少 预焙槽壳面氧化铝保温层增加，预焙槽较自焙阳极保温性能 中 差 好 槽热损失少，单位电能消耗低 筑炉作业难 难 难 容易 易 阳极单耗 小 中 小 4.2 电解槽结构设计计算 4.2.1 阳极炭块及阳极结构 阳极炭块组包括阳极炭块、钢爪、铝导杆等3部分， (1) 阳极面积 阳极炭块水平面积，是根据电解槽容量大小、阳极数量以及阳极电流密度 2(0.72~0.78A/mm) 参数控制来确定的，其长宽比的合理范围为:1<长宽比<2.3。 2因为:I=170 kA，D=0.72 A/cm 阳 52所以:S= I/D= 170000/0.72 =2.3611×10 cm 阳阳 (2) 一块炭块的尺寸 1) 阳极炭块宽度:电解槽的阳极炭块宽度一般在550~750mm之间，本设计 中的阳极宽度确定为b=680mm。 阳 2) 阳极炭块块数:本设计取24块 3) 阳极的高度:一般阳极高度取500~600mm，于炭块增加之后，残极率相对减小，因而阳极单耗也降低，所以习惯倾向于取高点，但是边高，也将使阳极上的平均电压降升高，所以阳极炭块的高度要结合两种情况，本设计将高度定为 h=550mm。 阳 4) 阳极炭块的长度:本设计的阳极块数为24块，碳阳极组为12，所以: 5-2L=S/(b×块数)=2.3611×10/680×24×10=144.68cm 阳阳阳 本设计取阳极块长度为L=145cm。 阳 (3) 阳极排列 1) 阳极到纵面槽帮的距离:又称为大面，此值一般取550~600mm之间，不能过大也不能过小，本设计将这个距离确定为570mm。 2) 阳极到横侧槽帮的距离:又称为小头，此值一般取450~550mm，本设计取值为520 mm。 3) 两排阳极块的间距:此值一般取200~300mm，取得过大浪费占地面积，增加成本;取得过小，对中间下料的大型预焙槽而言，加料操作受阻。所以本设计取250 mm。 4) 阳极块间距:本设计确定为40mm，取得过小，不利于更换阳极的操作;取得过大，又会增加成本造成浪费。 5) 阳极炭块排列如图4.3所示: 250mm 总共12×2块 40mm 图4.3 阳极炭块排列示意图 (4) 阳极炭块尺寸及结构如下图4.4所示: 1 2 4 3 5 图4.4 阳极结构示意图 1. 铝导杆 2. 爆炸焊 3. 钢梁 4. 炭块 5. 钢爪 4.2.2 槽膛尺寸 取阳极炭块至槽膛侧壁为570mm，至槽膛端壁之距离为520mm。 (1) 槽膛深度h=530mm 膛 槽膛不能过深但也不能过浅，过浅电解质容易溢出，过深会增加电解质的造价。槽膛深度主要取决于槽中电解质与铝业水平及操作工艺制度，一般为400~600mm，槽膛的深度应该大于电解质加上铝液水平的高度，电解质水平取为190mm，铝液水平为240mm，所以槽膛深度应大于430mm，槽膛应高出电解质以上10cm，所以槽膛深度取为530mm为合理。 (2) 阳极对槽内衬壁的距离 阳极到纵面槽帮的距离: 570mm 阳极到横侧槽帮的距离: 520 mm (3) 槽膛长度: L=12×b，11×阳极间距，2×小头距离 膛阳 =12×680，11×40，2×520 =9640mm (4) 槽膛宽度 b=b×2+大面距离×2+行间距 膛阳 =1450×2+570×2+250 =4290mm 4.2.3 电解槽的外形尺寸 (1) 侧部炭块 一般取125mm (2) 耐火砖 一般取65mm (3) 钢板 一般取10mm (4) 电解槽的外形尺寸见图4.5: 钢板 耐火砖 侧部炭极 图4.5 电解槽的外形尺寸 L=L，2×侧部炭块厚度，2×耐火砖，2×钢板 槽外膛 =9640，2×125，2×65，2×10 =10040mm b=b，2×侧部炭块厚度，2×耐火砖，2×钢板 槽外膛 =4290，2×125，2×65，2×10 =4690mm 4.2.4 阴极炭块和阴极结构 (1) 阴极炭块尺寸 1) 阴极炭块离侧面的距离，一般取400到450mm，本设计取420mm 2) 阴极块的尺寸和阴极钢棒的尺寸:阴极炭块的断面尺寸本设计采用450×515(钢棒65 ×180)mm型号。 (2) 相邻阴极炭块之间的距离，一般为40~50mm，本设计选定45 mm。即 L= 45 mm。 间 (3) 阴极炭块与槽内衬侧壁的距离，一般为260~300之间，选定为L=280mm 端 (4) 阴极炭块的长度 L=b,2×L 阴炭膛侧 =4290,2×410 =4370mm (5) 阴极炭块的数目 n= L,L,2×L,b×n 膛间端阴炭 =9640,(n,1)×45,2×280,515×n =16 (6) 阴极棒的结构如下图4.5所示 图4.5 阴极棒示意图 (7) 阴极炭块在炉膛中的布置图4.6(单位:mm) 420 280 ???????????????????????????????????????? ? 共16块 45 图4.6 阴极炭块布置示意图 4.2.5 槽内衬结构及槽壳 槽壳侧壁用一层炭块(120mm)，一层耐火砖(65mm)，槽底用一层阴极炭块(450mm)，两层耐火砖(2×65mm)，两层保温砖(2×65mm)，一层氧化铝粉(40mm)。此外还要在侧壁上用炭糊打一层斜坡，在阴极炭块上下面铺设40mm 厚的炭垫。 侧部炭块 槽膛 阴极炭块 阴极棒 炭垫 耐火砖 保温砖 氧化铝粉 图4.7 槽内衬底部结构图 所以:槽壳宽度b=b+2×侧部碳砖厚度+2×保温砖砖厚度 槽宽膛 =4290+2×120+2×65 =4660mm 槽壳长度L=L+2×侧部碳砖厚度+2×保温砖砖厚度 槽壳膛 =9640+2×120+2×65 =10010mm 槽壳深度h= h+阴极炭块厚度+炭垫厚度+2×耐火砖厚度+2×保温 槽壳膛 砖厚度+砖缝厚度+氧化铝厚度 =530+450+40+2×65+2×65+5+40 ==1325 mm 4.3 电解槽导电部件的计算 4.3.1 电解槽的母线配置及其排列方式 1. 母线配置的重要性 在大型电解槽的设计中，母线不仅被看成是电流的导体，更重要的是它产生的磁场对生产过程的影响。母线系统的电流和电解槽内的电流会产生一个强磁 场，对电解槽的稳定性产生重要的影响，它们与熔体中的电流相互作用，产生一种磁场力，使熔体界面变形和波动，主要表现在铝液表面突起、滚铝、铝液回流与铝液的波动等等。这种磁场还对电解槽的寿命、电能消耗和电流效率产生很大的影响，所以合理的配置母线对铝电解槽的设计十分重要。 母线配置得当，磁场可以互相抵消，如配置的不好对铝电解槽将产生很大的影响，甚至浪费了大量的电能，造成了很大的经济损失。 2. 母线配置 母线配置的特点: (1) 大型电解槽一般采用以槽横向为中心对称，这样可以减轻铝液的突起; (2) 远端母线转向槽底，在到达槽中心处转90?再从端部引出，这样可以削弱正方向的磁场，从而减少铝液的波动和回流。 影响电解槽的重点是垂直磁场，它可作为电解槽的标志。 3. 母线配置图(4.8, 4.9, 4.10) 1028.5 1100 550 150 25 4106 P-6 P-7 PFB-2 P-8 340 PNP-2 图4.8 阳极母线及立柱母线示意图 PFB–830310 1 00 10 150 121.3 P–10 P– 9 1040 P–3 555 555 555 555 555 N–11 P–4 300 3815 NWP–1 NWP–4 N–4 图4.9槽侧母线配置图 4.13 NFB–1 200 560 N–3 N–5 N–2 N–4 N–7 180 N–9 N–8 2620 2135 753 2010 1250 555 555 P–3 P–2 NFB–1B NFB–3 9010 NFB–2 P–4 图4.10 槽底母线配置 图 4.3.2 电解槽母线尺寸的确定 1. 阴极母线的确定及计算原理 槽与槽之间通过铝母线串联而成，电解槽有样机母线、阴极母线、立柱母线和软带母线，为了降低母线电流密度，减少电压降，降低造价，大型电解槽均采用大断面的铸造铝母线。从降低母线成本的家督，应该减小母线截面尺寸，提高导电母线的电流母线，但母线截面尺寸的减小会增大导电母线的电阻，使生产运行过程中的电耗增高。因此在母线配置的设计中应该使用较合理经济的母线配置。下图为阴极母线原理图4.11: 图4.11 阴极母线原理图(母线配置图) 经济电流密度的确定: 0qdN，,，,，()212D= A/ mm经,，，，TKN 3 3此式中: d——母线比重(取2.7g/cm)d-----Al的比重2.7g/cm K-----电价 0.45元/度 0-------母线一次投资价格16元/kg q 2ρ --------电阻率， (t 取50?) ,,mmm/ -22ρ=3.332×10,,mmm/ N-------母线折旧年限 25年 ,-------母线维修，一般在 0.4~0.7 取0.5 1 ,------年平均固定补偿率 在0.05~0.08之间 取0.07 2 T-------每年用时间(4年一次大修，一次30天)，实际算得8580小时。 因为: 一年总的小时数:365×24=8760小时; 实际大修时间:(30/4) ×24=180小时; 故实际用时数:8760-180=8580小时 2经计算 D =0.174 A/mm经 2. 远端阴极母线截面积的计算 =I/16，S=I/ D 其中:I远远径远总 S=(170000/16)/0.174 远 2= 61063mm 2= 610.63cm 3. 远端合电阻的计算 远端电路图如图4.11所示: RN9 RRNWP2 RNWP3 RN5 N1 RRRRRRNWP2 NWP1 N4 N8 N1 NWP3 RRN7 RNWP3 RNWP2 N3 RN1 RRRNWP2 RRN7 NWP3 N2 RN1 NWP1 R炉底 RP3/P4 a 图4.12远端母线示意图 (1) 炉底电阻 假设炉底电压为0.4V，则 3-5R=V/(I/32)=0.4×32/(170×10)=7.5×10 Ω 炉底 (2) R=ρ L/S N1t -2-3 =3.332×10×560×10/(610.63×100) -7 =3.056×10 Ω (3) 接触电阻 R= R=0.219μΩ NWP2NWP3 R=0.232μΩ NWP1 (4) R=ρ L/S N2t -2-3 =3.332×10×(2135+200)×10/(610.63×100) -7 =12.74×10 Ω (5) R=ρ L/S N3t -2-3 =3.332×10×(2295+200)×10/(610.63×100) -7 =13.62×10 Ω (6) R=ρ L/S N4t -2-3 =3.332×10×(2455+200)×10/(610.63×100) -7 =14.487×10 Ω (7) R=ρ L/S N5t -2-3 =3.332×10×(2615+200)×10/(610.63×100) -7 =15.36×10 Ω (8) R=ρ L/S N6t -2-3 =3.332×10×(500+124215+555×2+1665,160)×10/(610.63×100) -7 =23.78×10 Ω (9) R=ρ L/S N7t -2-3 =3.332×10×3802.5×10/(610.63×100) -7 =20.75×10 Ω (10) R=ρ L/S N8t -2-3 =3.332×10×2137.5×10/(610.63×100) -7 =11.66×10 Ω (11) R=ρ L/S N9t -2-3 =3.332×10×(500+124215+40×2+125×2)×10/(400×100) -7 =11.309×10 Ω (12) l、l参照贵铝，l=5241mm，l=3725mm 3434 -2-3-2-3R=1/{2/[3.332×10×5241×10/(550×100)]+1/[3.332×10×3725×10/(550×p3/p4 100)]} -7 =9.32×10 Ω R，R，RR如图4.11所示 ???，? R=[( R+ R) ‖R]+ R+ R+ R+ R ?炉底炉底N1NWP2N5NWP3N9 -7 =(304.36+2.19×2+15.36+11.309)×10 =335.409Ω -7R=(304.36+2.19×2+14.487+11.66)×10 ? -7 =334.887×10 Ω -7R=(304.36+2.19×2+13.62+20.75)×10 ? -7 =343.11×10 Ω -7R=(304.36+2.19×2+12.74+23.78)×10 ? -7 =345.26×10 Ω -7所以，R‖R=335.409×334.887×10/(335.409+334.887) ?? -7 =167.5739×10Ω -7同理, R‖R=172.592×10 Ω ?? -7所以,R=[(167.5739+2.32) ‖(172.592+2.32)+9.32]× 10 远和 -7 =88.386×10 Ω 4. 近端母线的计算确定 -2-3-7(1) R=3.332×10×1436×10/(12.5×44×100)=8.7×10 Ω p2 -5(2) R=7.5×10 Ω (前面已算过) 炉底 -5(3) R=1.5×10 Ω (假设) 接触 -2-3(4) R= R=3.332×10×555×10/(15×30×100) N10(1)N10(2) -7 =4.109×10 Ω -2-3(5) R=3.332×10×3815×10/(15×30×100) N10(3) -7 =28.248×10 Ω -2-3(6) R= R= R= R= 3.332×10×555×10/(S×100) N11(1)N11(2)N11(3)N11(4)11 -7 =1849.26×10/ SΩ 11 -2-3(7) R= 3.332×10×1040×10/(S×100) N11(5)11 -7 =3465.28×10/ SΩ 11 R/ R=1.87 所以，N11(5)N11(1) 如图4.13所示， R 炉底 RRRR 1234NNNNR 511111111N110.15μΩ R RR 312NNN101010 a 图4.13 近端电阻示意图 -7R=305.78×10 Ω A 又因为R= R= R‖R+ R+ R 近和远和接触ABp2 所以，R‖R= R,R,R 远和接触ABp2 -7 =(126.866,1.5,8.7)×10 -7 =116.666×10 Ω -7-7R=116.666×10× R/( R,116.666×10) BAA -7 =188.64×10 Ω -7-7-7令R/ 10=M，则R/ 10=1.87M。令R/ 10=R’ 炉底炉底N11(1)N11(5) 根据图4.12得， -7543223R/10=1.87M+[( R’)+10×( R’)M+15×( R’)M+7×( R’)M+R炉底炉底炉底炉底炉B 4432234’M]/[5×( R’)+20×( R’)M+21×( R’)M+8× R’M+M] 底炉底炉底炉底炉底 =188.64 解得，M=7.73 -7所以，R=7.73×10 Ω N11(1) -7-72 S=1849.26×10/(7.73×10)=239.23cm11 4.4 物料平衡计算 冰晶石—氧化铝融盐电解的总反应方程式为: AlO+3 C /(1+N) =2 Al+3N/(1+N)CO+3(1,N)/(1+N)CO 232 其中，N=,CO/( CO+ CO) ,×100% 即阳极气体中CO的体积百分数，222可根据下式求得: η=1/2(1+N%)+K η—电流效率，这里取92% K—是一个校正系数，取-0.01 所以:0.92=1/2+1/2 ×N%,0.01 解得:N=0.86 则上面的反应方程式可简化为: AlO+3/1.86C=2 Al+2.58/1.86CO+0.42/1.86CO232 以上产1000kg铝为基础，则 理论需要量: AlO:(102/54)×1000=1888.9kg 23 C:(12×1000×3/1.86)/54=358.42kg 合计:2247.3kg 理论生成量: CO:(44×2.58/1.86)×1000/54=1130.22kg 2 Al:1000kg CO:(28×0.42/1.86)×1000/54=117.08kg 合计:2247.3kg 物料达到平衡。 事实上，生产一吨铝的原料实际消耗量为: AlO:1940kg; AlF:27kg; NaAlF:15kg 232336 Ca F:1kg; 阳极炭块:585kg; 阳极净耗:450kg 2 以上数据表明，实际消耗量远大于理论消耗量，这主要是因为，工业上AlO23 的纯度在98.5%~99%，冰晶石等原料在电解过程中都有损失。 第五章 系列电解槽、电力制度、电解槽排列、厂房尺寸的确定 5.1 工作电解槽及备用槽的确定 5.1.1 工作电解槽的确定 N=G/(0.3356×Iη×24×365) 工作原铝 式中: I— 电流强度; η— 电流效率; G—年产铝量，取9万吨/年; 原铝 10N=9×10/(0.3356×170000×0.92×24×365) 工作 ?196(台) 5.1.2 总槽数的确定 设电解槽的寿命为X年，则每年大修的电解槽数目为N，本设计中X取大修 4年，则每年大修的槽子数目为: N= N/X=196/4=49台/年 大修工作 设一台大修的天数为Y天(一般取60天)，则每年停工的天数为: D= N×Y=49×60=2940天 停大修 则整个车间各槽的平均工作天数为: D=(365× N,D)/ N 平均工作停工作 =(365×196,2940)/196 =350(天) 故 N= G/(0.3356×Iη×24×350) 总原铝 10 =9×10/(0.3356×170000×0.92×24×350) =204(台) 5.1.3备用槽数目的确定 N= N,N 备用总工作 =204,196 =8台 5.2 系列数、厂房数及其尺寸的确定 5.2.1 电解槽系列 电解槽系列是铝电解生产的单元，每一个系列都有它额定的直流电流强度和生产能力，一般大型的定啊解槽的电流强度时150 kA~350 kA，电解槽在200台左右。本设计是电流强度为170 kA，年生产能力为9万吨的系列电解槽。 电解槽的厂房配置形式有横向和纵向两种方式，没一种方式又分单排与双排，具体配置图如下图5.1所示: (a) (b) (c) (d) 图5.1 (a)单排纵向 (b)单排横向 (c)双排纵向 (d)双排横向 现代大型电解槽通常采用单排横向排列，因为随着电解槽的电流强度越来越大，电解槽的长度、宽度等都会增加，主要增加的是槽体的长度，这样纵向排列就会大大的增加电解车间的长度，成本增加。横向排列着方面的影响就比较小，单排的排列会让厂房的通风条件比较好，工作环境比较舒适，所以本设计电解槽系列选用单排横向排列。 5.2.2 厂房的数量 本设计取四栋厂房。 5.2.3 厂房及电解槽的安装尺寸 每栋电解厂房的电解槽数目: 204/4=51台 每栋电解厂房的备用槽数目: 8/4=2 台 在每栋厂房的两端及中间要留有9米的通道，电解槽要高出地面3.2米，电解槽中心线间的距离为6.3米，每两栋厂房间的距离为22米，电解槽到厂房侧 壁的距离为2米、7.3米，则厂房的长度为: L=26×6.3，9×3，26×6.3，2×4.69 厂房 =354.98m 厂房宽度: B=2，7.3，10.04 厂房 =19.34m 厂房及电解槽的布置图如下图5.2: 6.3m 9m 2m 9m 7.3m 22m 9m 354.98m 19.34m 图5.2 厂房及电解槽的布置图 5.3 电力制度的选择及论证 5.3.1 电力能耗的确定 1. 生产用电能耗的计算 一年所需的电能: W=2980×VG/(0.98η) 平均年总产量1 式中:V—平均电压，为4V 平均 0.98 —由交流电整流为直流电的整流系数; η—电流效率。 4所以，W=2980×4×9×10/(0.98×0.92) 1 9 =1.190×10度/年 4一吨铝的电耗:W= W/(9×10) 21 4 =1.32×10度 2. 动力用电(包括打撬及收尘等所消耗的电能) 一般取W=300度/t-Al 3 所以，W= W+ W 总23 4 =1.32×10+300 4 =1.35×10度/t-A 5.3.2电力制度的选择及论证 1. 阳极效应发生的概率计算 对于有n个电解槽的系列来说，其中m个槽子发生阳极效应得概率用下列 公式计算: mn-mmP=CP(1,P) ()nmn 此式中: P— 在n个电解槽中有m个同时发生阳极效应的概率; ()nm m — 电解槽系列中同时发生效应的电解槽数目; n — 电解槽系列中工作的电解槽数目 P — 一个电解槽发生阳极效应的概率，一般用发生时间与总时间 的比值来表示。 P=t/(t+ t) 112 式中，t:发生阳极效应的时间，本设计取5分钟; 1 t:不发生阳极效应的时间。(24×60,5)分钟 2 所以，P=5/(24×60)=0.0035 所以，1,P=0.9965 01960当m=0时，P= P= C×0.0035×0.9965 ()()19601960196 =50.298% 同理，当m=1时，P=34.504% ()1961 当m=2时，P=11.775% ()1962 当m=3时，P=2.665% ()1963 当m=4时，P=0.450% ()1964 当m>4时，P=0.073% 同时发生效应的 槽数 0 1 2 3 4 ，4 概率 50.298 34.504 11.775 2.665 0.450 0.073 P% ()196m 2. 电力制度的调节 电力制度的调节方法有三种:恒定功率调节法;恒定电压调节法;恒定电流 调节法。 (1) 恒定功率调节法 用这种方法进行调节，在效应发生时，电压升高，而系列电流相对下降，效 应重叠数目越多，电流降低越大，恒定功率为: P=mIV= mIV+ mIV 1211 式中:P —系列总功率; m—系列中工作电解槽数目; I —正常工作系列电流; V—正常工作时的槽电压; m—系列中未发生阳极效应的电解槽数目; 1 m—系列中发生阳极效应的电解槽数目; 2 I—发生阳极效应时的电流; 1 (2) 恒定电压的调节法 在恒定电压调节时，阳极效应发生时，因为电阻的升高，所以电解槽的电流和功率均降低。 (3) 恒定电流调节法 在此时阳极效应发生时，带你呀和功率提高，因为电压系列随着效应产生而增加。本设计采用恒定电流调节法。 5.4 电子计算机的选择 计算机在铝电解生产过程中的控制作用是铝工业发展的一项显著成就。它能使生产过程准确及时，数据完整，减轻了工作人员的劳动强度。避免了由于个人经验而引起的混乱，更科学化、统一化。 5.4.1计算机控制工艺过程一般有 1. 下料控制(电阻控制) 2. 电压的调整(正常生产及阳极效应时) 3. 出铝控制 4. 编制有关作业计划表 5. 小车的供应控制 5.4.2依据所需控制项目，对电子计算机有如下要求 1. 对AlO及辅助原料进行分配; 23 2. 定期控制自动打壳、加料; 3. 定期扫描、检测槽电压，并自动将槽电压控制在正常范围; 4. 电解槽效应产生预报及处理; 5. 进行数据处理，整理打印报表及方框表等。 第六章 车间主要辅助设备的选择及计算 6.1 车间的主要辅助设备 在厂区中，没两座厂房公用一套烟气净化装置，每座厂房配置一套氧化铝的加料装置，并供给原料氧化铝与辅助原料。没座厂房配置两台多功能天车，天车的主要作用是进行阳极的更换、加料、打壳以及出铝，还可以进行阳极母线的提升等。 6.2 车间主要辅助设备的计算 车间主要辅助设备的计算中主要是进行真空抬包的计算，本设计是每天三班制，每台电解槽每天出铝一次每台真空抬包可以装铝液4吨，一般的真空抬包数为: 4N=(9×10)/(365×3×4)=20.54?21台 抬包 第七章 厂房通风及烟气净化 7.1厂房的通风 厂房通风和烟气净化的意义主要是保障工作人员的健康以及回收电解槽中的有用成分。在电解槽操作过程中，从槽中析出大量地有害气体及灰尘等，如果不能及时排除，聚集起来，超过允许的范围时就会对人体造成伤害;在电解过程中，阳极气体会带走氧化铝氟化钙等辅助燃料，这样会增大投资的成本，所以必须对阳极气体进行回收，从而降低成本。 7.2 烟气的净化 在电解铝生产过程中，从电解槽中会散发大量烟气，烟气由气态和固态物质所组成。气态物质主要成分为:氟化氢、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、四氟化硅等等。固态物质主要分两类:一类是大颗粒物质，主要是氧化铝颗粒，炭粒和冰晶石粉末;另一类是细微颗粒，由电解质蒸汽凝聚而成，其中氟含量达45%。 由于电解铝生产中会产生大量含氟的烟气，对周围环境及人体健康产生很危害。铝电解槽散发的烟气，由槽上集气罩收集的称为一次烟气，未经集气罩而直接进入厂房的叫二次烟气。 7.2.1 一次烟气的收集方法 1. 湿法净化法 湿法净化法分为碱法、氨法和酸法等，采用湿法净化法回收烟气可同时除去烟气中各种有害成分，设备简单，占地面积小，维护方便，净化烟气的幅度宽，但其不适宜在寒冷天气下运行，而且不溶解物质会在一些设备构件中结垢等。 其净化原理如下(碱法): 用稀碱液在洗涤装置内洗涤烟气，烟气中的气体与碱液发生如下反应: NaCO，2HF,2NaF，CO?，HO 2322 NaCO，HO，CO,2NaHCO23223 NaCO，SO,NaSO，CO? 232232 NaSO，1/2O,NaSO23224 从而生成氟化钠、碳酸氢钠和硫酸钠溶解于洗涤液中。其中氟化钠碳酸氢钠 是合成冰晶石的主要原料。 2. 干法净化法 干法净化是指直接用电解铝的生产原料氧化铝做吸附剂去吸附电解铝烟气中的氟化氢等有害成分的净化工艺。具有吸附作用的物质(氧化铝)称为吸附剂，被吸附的物质(氟化氢等)称吸附质。 自20世纪60年代开发出氧化铝干法净化回收技术后，由于其在整体上具有许多优越性，很快就替代湿法净化回收工艺被广泛的应用在预焙槽烟气净化回收方面。我国的扩建或新建预焙槽的烟气处理均采用了于法净化回收工艺。 干法净化回收工艺之所以逐渐被广泛应用，主要有以下优点: (1) 流程简单，运行可靠，设备少，净化效率高。 (2) 干法净化回收不需要各种洗液，不存在废水，废渣及二次污染，设备也不需要特殊防腐处理。 (3) 干法净化回收所用吸附剂是电解铝生产的原料氧化铝，不需要专门制备，回收的氟可返回电解生产使用: (4) 干法净化回收可适用于各种自然条件下 (5) 基建和运行费用较低。 但是，干法净化回收工艺也存在以下缺点: (1) 净化二氧化琉的效果差。 (2) 原料氧化铝在净化过程中，因多次循环(容易带近杂质 (3) 吸氟后的氧化铝飞扬较大。 氧化铝对氟化氢的媳妇过程包含如下几个步骤: (1) 氟化氢在气相中不断扩散，通过氧化铝表面气膜到达氧化铝表面。 (2) 氟化氢受原子化学键力的作用，形成化学吸附。 (3) 被吸附的氟化氢和氧化铝发生化学反应，生成表面化合物——氟化铝。 其反应式如下: AlO，6HF,2AlF，3HO 2332 从上述过程可知，氧化铝吸附氟化氢是化学吸附为主，物理吸附为辅的过程。在吸附过程中，只要提供足够湍动，使吸附剂与吸附质能充分接触，促进气流扩散并增大传质速率，吸附即可达到很好的效果。所以，在于法净化时，在氧化铝 活性已有保障的情况下，关键是要创造有利条件使氧化铝与烟气进行充分接触。 7.2.2 二次气体的净化 二次气体的净化一般采用洗涤塔来处理体积大、污染物浓度小的气体。二次烟气的净化效率大约与一次洗涤液接触时所耗用的用量多少成正比，在没有一次净化系统的情况下，二次烟气净化系统的净化效率是:颗粒氧化物为40~60%，气态状的氧化物为70~85%。 第八章 电解槽的操作制度 铝电解槽的全部生产过程分为三个阶段，即焙烧、启动和正常生产。新建或大修后的铝电解在进入生产前，要经过焙烧与启动过程。焙烧和启动属于前期工作，它的准备很重要直接影响到槽子寿命的长短。如果焙烧与启动期管理不当，很容易造成阴极破损、漏槽事故，还会造成电解槽终身病态。 8.1 焙烧阶段 所谓焙烧(对于预焙槽而言，又称为预热)，就是利用置于铝电解槽阴、阳两极间的发热物质产生热量，使电解槽阳极、阴极(含内衬)的温度升高，实现下列目的:使阴极炭块间和槽周边的扎糊烧结焦化，与阴极炭块形成一个牢固的整体;烘干阴极内衬，并逐步将槽膛温度提高到接近电解温度(900?以上)，为启动电解槽做准备。 铝电解焙烧方法可以分为两大类，一类是电焙烧法;另一类是燃料焙烧法。其中电焙烧法又分为:铝液焙烧法、焦粒焙烧法。 1. 铝液焙烧法 铝液焙烧法是在电解槽内灌入一定量的铝液，覆盖在阴极表面上，并且与阳极接触，构成电流回路，电解槽通电后产生热量，焙烧电解槽。其优点为方法简容易操作，不需要增加任何临时设施，焙烧后，电解槽内的温度分布虽然不均匀，但不会出现严重的阴极局部过热的现象，在焙烧过程中阴极炭块不会被氧化可以使用部分高残电极焙烧，可降低生产成本，启动后电解质洁净无夹杂，省工省料。但铝液的电阻小升温慢，焙烧时间长，造成焙烧过程能耗高，效率低，铝液阴极表面接触，在焙烧过程中阴极表面产生缺陷和细小裂纹，增强铝的渗透作用，加速铝液进入内衬中而导致电解槽早期破损，造成电解槽的寿命缩短。由于铝液本身电阻很小，大部分热量则由阴极和阳极产生，总发热量不大，所以铝液焙烧电解槽要一次通入全电流。在焙烧初期刚通电时，冲击电压会高达6伏，随后电压逐渐降低(因槽底电阻逐渐减少)，在第6昼夜时，电压降低到1.5伏，因为此时发热量低而无法满足焙烧温度的要求，因此要稍稍提升阳极，使电压升高到2伏左右，然后继续焙烧。提升阳极之前，铝液的温度在很长时间内保持在600?左右，但在稍稍提升阳极之后，铝液温度很快就会升高到900,980?。整个过 程以控制铝液温度的上升速度为管理点。经过8昼夜的均匀而缓慢地焙烧之后，达到启动温度后，电解槽便可以启动了。 图8.1为铝液焙烧示意图: 图8.1 铝液焙烧示意图 1 阳极母线 2 阳极 3 铝水 4 阴极炭块 5 电解质、冰晶石、保温料 图8.2 焦粒焙烧法示意图 1 阳极母线 2 软连接 3 阴极内衬 4 阳极 5 焦粒 6 电解质、冰晶石、保温料 2. 焦粒焙烧法 焦粒焙烧法是在阴、阳极之间铺上一层煅后石油焦颗粒作为电阻体，电解槽通电后，焦粒层便在阴、阳极之间产生焦尔热，焙烧电解槽，同时，阴极和阳极 本身的电阻也产生热量，在其内部焙烧。这种方法克服了铝液焙烧启动的对大型电解槽寿命的不利影响，能够有效地阻止正常电解过程铝液渗透，对阴极起着保护作用，具有时间短、效率高的优点。其最大的缺点是在电解槽焙烧过程中，因铺垫的炭粒不能达到完全均匀一致，难以保证电流均匀分布，电流分布不均匀导致阴极表面温度不均与，可能产生局部过热。此外这种方法启动后电解质炭渣多，需要清楚炭渣，费工费料。图8.2为焦粒焙烧法示意图: 下表8-1为铝液焙烧法与焦粒焙烧法在大型预焙槽上应用效果的定性比较: 表8-1 铝液焙烧法与焦粒焙烧法在大型预焙槽上应用效果的定性比较 序号 项目 铝液焙烧 焦粒焙烧 1 焙烧时间 长 短 2 升温控制 难 较易 3 温度分布均性 较均匀 较均匀 4 对阴极热冲击 大 较小 5 裂缝填充物 铝 电解质 6 阴、阳极氧化 少 少 7 送电难易 较易 难 8 操作难易程度 易 较易 9 运行辅助设备 无 较多 10 焙烧费用 大 小 11 能源利用率 低 高 12 对启动的影响 小 较大 8.2 启动阶段 铝电解完成焙烧后，进入启动阶段，启动分干法启动与湿法启动。 启动前的准备:做好人员、效应棒、安全设施、工器具(如天车，活动、固定防磁扳手，半月耙，风管，钢钎，大钩，铝耙，铝耙杆，溜槽，铁锹，扫把，炭渣勺，电流分布测定工具，焙烧日志)等一切准备工作，并预热使用的工具。准备原料:确认电解质吸出的炉号及电解质量，预热好电解质包，准备足量的液 体电解质并准备铝液和冰晶石。准备溜槽:操作排风量转换阀，揭开出铝端盖板，将热电偶及端头盖板取出，并将出铝口的料用铁锹铲到邻近阳极上，保证出铝口与中缝连通;用小叉车将溜槽叉到指定位置放好;工作台放好，摆正位置。 干法启动即是利用电解槽阴、阳极之间产生的电孤高温将固体冰晶石熔化成液体电解质，其做法是不断向焙烧好的电解槽阴、阳极间添加冰晶石，慢慢提升阳极，阳极脱开阴极的部分便产生强烈电孤而形成高温，使冰晶石熔化，当槽内有了适当高度的液体电解质后，可引发阳极效应，加速电解质熔化。待到有足够高度的液体电解质后，便加入氧化铝熄灭阳极效应，电压保持在6,8V，保持一段时间后(24小时以上)，灌入适量铝液，电解槽进入生产阶段，启动即告结束。 湿法启动是向待启动的电解槽内灌入一定量的液体电解质，同时上台阳极，逐渐引发人工效应。在人工效应期间可将阳极上用于保温的冰晶石推入槽内熔化，若电解质量不足，还需要投入冰晶石，直到液体电解质达到规定高度，便可 投入一定数量的氧化铝，熄灭效应。效应时间一般不超过半小时，效应电压保持在20,30V，具体根据电解槽焙烧温度和槽内电解质高度而定。效应期间根据需要添加冰晶石，效应持续时间为25,30分钟，当电解质高度达到25,30cm后，人工熄灭效应。效应熄灭后应保持较高的槽电压，一般在6,8V，保持一段时间后(24小时以上)，向槽内灌入一定量的铝液作为槽内在产铝，加好阳极保温料，启动便告结束。 无效应启动法是将电解质灌入待启动槽后抬高电压不超过10V，让其慢慢熔化固体物料，这样需经过数小时乃至十几小时，才能启动完毕，启动时间较长。但该法有启动期间物料挥发损失小，环境条件较好等优点。采用该法 时，应适当提高电解槽焙烧温度，以防止灌入的电解质凝固，影响启动质量。 8.3 正常生产阶段 8.3.1 下料 加料的原则是―勤加工，少下料‖，这种下料方法有很多优点:在打壳周期内能保持比较稳定的氧化铝浓度(3~6%)，而不至于有多余的氧化铝沉淀现象，能够使电解质和铝液稍加冷却，能够把粘结在阴极低掌上的炭渣分离出来，由于采用紧贴槽加打壳的方法，打入槽内的氧化铝在数量上有控制，而且是经过充分预热的，所以大块料和冷料不会进入电解槽中，不会搅动铝液。这种方法还可以减 少阳极效应的发生，可以节省用电。 电解槽在启动后即可投入自动下料，但采用定时下料的控制方式。由于启动初期电解槽并未进入正常电解过程，因此必须避免供料过量，防止产生沉淀和保持1,2次的阳极效应系数，但是也要防止阳极效应重复多发。因此，在灌铝之前，下料间隔比正常加料间隔延长一倍左右;灌铝之后下料间隔仍须大于正常下料间隔(例如，为正常下料间隔的1.5倍);阳极效应发生后再逐渐缩短加料间隔。 每天加入氧化铝的量: -6 m=0.3356×24×0.92×170000×1940×10 =2443.83kg 假设每三分钟下一次料，则每次下料为: m’=(2443.83×3)/(60×24)=5.09kg 8.3.2 出铝 电解产出的铝液积存于炉膛底部，需定期抽取出来，送往铸造车间生产成产品。出铝的设备主要是真空泵、真空管道和真空包。真空出铝的原理是利用真空泵将密闭的真空包抽到一定的真空，通过铝液面上的大气压力与包内压力的不等使铝液从槽内被压入真空包，从而完成出铝工作。图8.4为真空抬包出铝法: 图8.4 真空抬包出铝示意图 预焙阳极电解槽的出铝操作步骤如下: (1) 确定要出铝的电解槽，揭开出铝端的槽罩，打开出铝口，并将出铝口处 的炭渣打捞到炭渣箱内。 (2) 多功能吊车将出铝抬包吊到槽前，按下槽控机上的―出铝‖键，通知计算 机进入出铝程序。 (3) 将掐包吸出管伸入出铝口，到铝掖层。 (4) 接通真空开关，吸出铝液。 (5) 当吊车电子秤显示数据达到指示量时，立即关闭真空，停止出铝。 (6) 缓慢转动抬包手柄，用多功能吊车将拾包吊离电解槽。 (7) 每台电解槽的出铝精度保持50kg，确保电解槽平稳运行，防止病槽产生。 (8) 当出铝抬包内积聚的固体电解质影响到出铝精度时，必须进行清理。 8.3.3 阳极操作 阳极操作包括阳极更换、提升母线和阳极效应的熄灭等三项内容。 1. 阳极更换 预焙阳极电解槽是多阳极电解槽，所用的阳极块是在炭素厂按规定尺寸成型、焙烧、组装后送到电解使用的，阳极块组不能连续使用，须定期更换:每块阳极使用—定天数(一般为20~28天)后，换出残极，重新装上新极，此过程即为阳极更换。 阳极更换操作程序如下: (1) 确定阳极更换周期。 (2) 确定阳极更换顺序，确定要更换的阳极号。 (3) 吊出残极，安装上新阳极，调整新极安装精度。 (4) 进行收边和极上保温料的覆盖。 阳极时按照一定的周期进行更换的，阳极更换周期由阳极高度与阳极消耗速度决定。 阳极更换的周期的计算: 假设阳极的净耗Wc=450kg/t?Al，则每天消耗的阳极: -6Wc=450×24×0.3356×170000×0.92×10 每天 =566.87kg 3设阳极的比重为:dc=1.5g/cm则阳极的消耗的高度: -3hc=(8.054×D×η×Wc×10)/d 阳每天c -3 =(8.054×0.72×0.92×566.87×10)/1.5 =2.0162(cm/时) 所以阳极更换周期为: T=(阳极高度,残阳极高度)/hc =(55,15)/2.0162 =19.838天?20天 2. 提升母线 阳极导杆固定在电解槽阳极大母线上，随着阳极不断消耗，母线位置便不断下移，当母线接近上部结构中的底部罩板时，必须进行抬母线作业。 预焙阳极电解槽的阳极水平母线既是承重大梁衍架，又是用于导电的导体。随着阳极的不断消耗，阳极母线也随之不断地下降。当降低到某一定位置时，即母线接近上部结构的密封顶板，或吊起母线的螺旋起重机丝杆快要到头时，就需要将水平阳极母线重新提升上去，这一操作被称为提升阳极水平母线。预焙阳极消耗速度一般为1.5cm/d，母线正常行程在350~370mm左右，故提升母线周期为19~20天。母线抬升至距最高点50mm即可。 抬母线使用专门的母线提升机(母线框架)，由多功能天车配合作业。 电解梢提升阳极水平母线的操作步骤如下: (1) 回转计读数显示横梁母线位置并有上下限位保护功能，下限大于350M 读数时必须拾抬线，抬母线时上限必须留50mm的读数，周期为18~20天。 (2) 操作前，认真检查提升机，准备工器具，确认好槽号(补画好原线。 (3) 保证母线提升机作业风压。 (4) 指挥吊车吊放母线提升机，巡查确认四脚对准后接通气源，打开夹具气 缸(待夹具全部开且对准导杆头后下降放稳提升机;关夹具气缸，检查文具是否全部夹紧，极块是否下滑，如有滑，应重提至原线。 (5) 进行一次效应加工后，按下抬母线键，使梢控机进入拾母线作业程序。 (6) 开顶部气缸，检查其是否动作，确认装置夹紧阳极导杆后拧松全部的阳 极卡具，进行抬线作业，注意巡查是否有与大母线同步上升的铝导杆，如果有及时处理后再抬;如没有则回转读数到50mm左右停止，拧紧阳极卡具，画线以便发现阳极是否下滑。 (7) 关顶部气缸，开夹具气缸，指挥起吊母线提升机，定置摆故母线提升机， 收好工器具。 (8) 提升母线时，必须仔细观察母线和阳极导杆的运动情况，若导杆随母线 而动或槽电压升0.5V以上，应立即停止提升，待处理后再继续提升。 3. 效应熄灭作业 预焙阳极电解槽熄灭阳极效应的原理与自焙阳极电解槽相同，均是加入氧化铝后予以阳极熄灭。预焙阳极电解槽熄火阳极效应的操作主要是由计算机自动加料，人工插入木棒进行辅助实施构成。对效应时间的控制一般为5min左右，并在效应后捞炭渣。效应后捞炭渣是清洁电解质的有效方法，效应期间电解质中炭渣分离加强，均浮在表面，效应不捞出又会重新混入电解质中，增大电解质电阻，影响阳极工作，所以必须进行此项工作。 第九章 车间劳动组织 9.1 车间劳动组织 车间成员主要包括主任部与党支部，党支部主要有工会主席与干事，主任部 主要有厂房主任、出铝工段长、天车工段长、净化工段长、计测班长、技术部门 与事务部门等。 9.2 车间人员配备 一周每人休息两天，每天工作8小时，实行四班三倒制: 1. 电解工段:工段长2人; 工人15×4=60人; 2. 吸出工段:工段长2人; 工人2×4=8人; 3. 天车工段:工段长2人; 工人2×4=8人; 4. 净化工段:工段长2人; 工人3×4=12人; 5. 计测组:10×1=10人; 6. 技术组:20人; 7. 计算机室:2×4=8人; 8. 事务部门:6人; 9. 主任及副主任:2人; 10. 车间主任:4人; 11. 区长:6人; 12. 党支书:1人。 该车间总人员为:(60，8，8，12)×3，10，20，8，6，2，4，6，1=321人 第十章 原铝成本的核算 下表10-1为现经济阶段的各种原料价格表: 成本项目 单价 单耗 单位成本元/t?Al 所占比例% 1950 kg/t-Al 37.51 氧化铝 2800 元/吨 5460元/t-Al 7 kg/t-Al 0.25 辅冰晶石 5300元/吨 37.1元/t-Al 助 AlF 20 kg/t-Al 0.76 5500元/吨 110元/t-Al 3 -3原CaF 1 kg/t-Al 0.07×10 1000元/吨 1元/t-Al 2 料 500 kg/t-Al 12.02 炭阳极 3500元/吨 1750元/t-Al 39.85 电电解用电 0.4元/度 14500度/t-Al 5800元/t-Al 能 0.67 动力用电 0.35元/度 280度/t-Al 98元/t-Al 33/t-Al 2.06 1000 m压缩空气 0.3元/ m 300元/t-Al 0.62 工资 90元/t-Al 1.79 车间管理费 260元/t-Al 4.47 折旧及大修 650元/t-Al 100 合计 14556.1元/t-Al 参考文献: [1] 曹宝奎. 我国电解铝工业的现状与发展[A];2002中国国际铝业研讨会论文集[C];2002年. 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