年产20万吨铝锭300ka预焙阳极铝电解车间设计

年产20万吨铝锭300KA预焙阳极铝电解车间设计摘要当今的铝电解工业正在向着槽容量大型化发展。大型预焙阳极铝电解槽上通过的强大电流会产生强大的磁场,磁场与电解质及铝液中的电流相互作用产生强大的电磁力,使铝液发生循环流动。这不仅会降低电流效率,也给生产操作带来一定困难。铝液流场分布的好坏对电流效率、吨铝电耗、阳极消耗、槽寿命、阳极效应系数等生产指标有着重要影响。因此,对铝液流场进行仿真具有重要的研究意义和实用价值。本文针对不同槽膛内形计算出相应的铝液流场。总结归纳300KA铝电解槽铝液流场的分布规律,并分析产生各种结果的原因。这些结论可以为铝电解槽的生产操作和优化设计提供理论依据。关键词300KA；铝电解槽；双阳极；大面五点进电；THEDESIGNOF300KAPREBAKEDANODEELECTROLYTICWORKSHOPWITHANANNUALOUTPUTOF200,000TONSOFALUMINUMINGOTSABSTRACTTHEELECTROLYTICALUMINUMINDUSTRYISTOWARDSTHEDEVELOPMENTOFLARGESCALETANKCAPACITYLARGESCALEPREBAKEDANODEALUMINUMELECTROLYTICTANKBYTHESTRONGCURRENTSWILLGENERATEASTRONGMAGNETICFIELD,MAGNETICFIELDANDTHEELECTROLYTEANDALUMINUMLIQUIDINTHECURRENTINTERACTIONSGENERATEPOWERFULELECTROMAGNETICFORCE,SOTHATTHEALUMINUMLIQUIDCIRCULATINGFLOWTHISWILLNOTONLYREDUCETHECURRENTEFFICIENCY,BUTALSOBRINGSOMEDIFFICULTIESTHEQUALITYOFALUMINUMLIQUIDFLOWFIELDDISTRIBUTIONONCURRENTEFFICIENCY,ENERGYCONSUMPTION,TONSOFALUMINUMANODECONSUMPTION,SERVICELIFEOFTHECELL,THEANODEEFFECTCOEFFICIENTHASANIMPORTANTEFFECTONTHEPRODUCTIONINDEXTHEREFORE,ITISVERYSIGNIFICANTTORESEARCHALUMINUMLIQUIDFLOWBYSIMULATINGACCORDINGTODIFFERENTSLOTBORESHAPETOCALCULATETHEFLOWFIELDOFMOLTENALUMINUMTOSUMMARYOF300KAALUMINUMELECTROLYTICALUMINUMLIQUIDFLOWDISTRIBUTIONANDANALYSEVARIOUSRESULTSTHESECONCLUSIONSCANPROVIDEALUMINUMELECTROLYZERPRODUCTIONOPERATIONANDTHEORETICALBASISFOROPTIMALDESIGNKEYWORDS300KA；ALUMINIUMELECTROLYSISCELL；DOUBLEANODE；BEDDINGFACEFIVEINTOELECTRICITY目录摘要1ABSTRACT21绪论111铝电解工业的概述112现代铝电解技术113国内外铝工业现状与发展3131国外铝工业的现状3132我国铝工业的发展状况514铝电解的发展趋势14141世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化14142铝电解槽日趋大型化或超大型化，其科技含量、智能化程度越来越高15143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15144世界铝工业向电力充裕廉价、铝土矿资源丰富的地区转移152厂址的选择与论证1721工业布局问题1722原材料供应及交通运输条件1723供水、供电条件1724环境保护和节约用地问题1725厂址的工程地质及水文地质条件1826厂址的协作条件183工艺设计1931电解铝生产19311铝电解的基本原理19312铝电解的生产系统、工艺流程20313电解铝生产原料21314主要技术经济指标的选择论证2532槽型的选择论证2633主要技术条件及技术经济指标的选择论证27331电解质成分27332电解质温度29333电流效率31334极距34335阳极电流密度34336铝液水平、电解质水平、阳极效应系数3535主要技术经济指标的确定3636铝电解槽结构常数的选择与结构计算3637槽膛尺寸3938阴极结构4039槽衬、槽底、砌筑材料尺寸的确定42310电解槽导电部件的确定与计算43311主要技术经济指标的确定484综合技术经济指标的计算5041单槽日产量5042电解槽数量505平衡与计算5151物料平衡计算5152电压平衡计算53521实际分解电压53522电解质电压53523阳极电压降53524阴极电压降55525阳极效应分摊电压降56526连接母线压降5653能量平衡与计算56531能量平衡计算的基本概念57532能量收入项的计算58533能量支出项的计算596辅助篇7361铝电解槽破损的特征、检测与维护73611电解槽阴极破损的特征73612破损槽的维护767铝电解车间平面设计79参考文献80致谢81附件1外国文献82附件2中国翻译871绪论11铝电解工业的概述铝是世界上最丰富的金属元素。金属铝具有耐腐蚀、易导电、密度小和延展性好等特点，其优良的物理化学特性使得它被广泛地应用于建筑、包装、交通、电力和航空航天等领域，是保障国民经济持续、快速发展的重要原材料之一，一次铝工业呈现风波发展之势。2004年我国氧化铝产量达710万吨，居世界第二位；电解铝产量670万吨，居世界第一位；铝的表观消费量约597万吨，居世界第一为。以上数据表明，我国已成为世界铝生产、消费大国。12现代铝电解技术炼铝方法的发展可分为两个时期最初是化学法，其后是电解法。铝的工业化生产开始于1855年，当时法国人戴维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得金属铝。由于拿破伦三世预见到它在轻型铠甲中的潜在应用而使铝的军事应用获得政府支持。然而，直到冰晶石氧化铝熔盐电解法实现工业应用之前，仅生产出少量的铝。1854年德国人本森（RBUNSEN）用电解NAALCL4熔盐制得了金属铝。当时，由于电价格太高而且不能获得大电流，因而不能进行工业电解试验。1867年发明了发电机并在1880年加以改进，这种电源才可用于工业生产。1883年美国布拉雷（BRADLEY）提出冰晶石氧化铝熔盐电解方案。三年之后即1886年，美国的CMHALL和法国的PLTHROULT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铝冶金工业的基础。自从1886年发明了冰晶石氧化铝熔盐电解法之后，1888年11月HALL在美国PITTSBURGH建厂实现工业化生产，1889年HROULT在瑞士NEUHAUSEN建厂生产铝，这就是电解法工业生产铝的开始。1888年8月奥地利科学家拜尔（KARLJOSEPHBAYER）申请了从铝土矿提取氧化铝的专利。与此同时，瑞士冶金公司利用莱茵河上的水力发电，获得了廉价的电力。由此，霍尔埃鲁特法、拜尔法以及廉价的电力推进了美国和欧洲铝工业的发展，于是，电解法很快取代了化学法。化学法总共生产了约200吨铝，前后约30年，该工艺在19世纪末逐渐被淘汰。以后，其它各国相继采用冰晶石氧化铝熔盐电解法炼铝。英国开始于1890年，德国1898年，奥地利1899年，挪威1906年，意大利1907年，西班牙1927年，前苏联1931年，中国1938年。冰晶石氧化铝熔盐电解法发明一百多年来，全世界的铝产量已有很大的增长。1890年是化学法和电解法的交替时代，原铝的产量只有180吨左右。1970年达到1000万吨，1980年1625万吨，2000年突破了2400万吨,2007年已超过3250万吨。冰晶石化铝熔盐电解法自从十九世纪末页以来，已有一百多年的历史了。在此期间，铝电解的生产技术有了重大的发展，这主要表现在持续增加电解槽的生产能力方面。在铝工业生产初期（18881900年间），曾采用40008000安培小型电解槽，其每昼夜的铝产量不过2428KG，20世纪90年代大型电解槽的电流强度达到2830万A，每昼夜的铝产量可达20302170KG。铝电解的电流效率，在铝工业生产初期低于80，20世纪90年代一般达到90，有的达到92。电解槽电流强度的持续加大，显然是与整流设备的更新，电极生产的改进，电解槽设计与生产操作的改善密切相关。在铝工业生产的初期，曾采用小型直流发电机，电流只有数千安培，后来，改用了水银整流器，现代则普遍采用了大功率高效率的硅整流器组，系列电流强度因此增加到30万A，而整流效率达到9598。此外，在铝工业生产初期，电解槽曾采用小型预焙阳极，这跟当时电机工业的生产状况相适应。后来，在20世纪初（1909年），生产生产铁合金的电弧炉上出现了连续自焙电极，铝工业从二十年代开始也采用了这种型式电极作为阳极，这就是侧插棒式自焙阳极。随后，为了扩大阳极尺寸和简化阳极操作，在四十年代又发展了上插棒式自焙阳极。自焙阳极的采用，标志着铝电解槽结构型式发展的第二个阶段。但是，由于自焙阳极的电耗较高，并且因为电极工业的高度机械化可制造大型预焙炭块，所以从五十年代中期开始有了两项重大的改进，这就是改造了小型预焙阳极电解槽，使之成为现代化的大型预焙阳极电解槽，与此同时还试验并采用了连续预焙阳极。预焙阳极电解槽的现代化是铝电解槽发展的第三阶段。侧插棒式和上插棒式自焙阳极电解槽，最近数十年来也在不断地发展。20世纪90年代侧插棒槽的电流强度一般是68万A，而上插棒槽达到1015万A。因此，现代铝工业上有两类四种型式的电解槽自焙阳极电解槽侧插棒式，上插棒式。预焙阳极电解槽不连续式，连续式。除了上述的四种型式电解槽之外，还有一种多室电解槽，它既可以用于氯化铝电解，又可以用于氧化铝电解，20世纪90年代尚处于试验阶段。计算机控制技术已经广泛应用于各种型式电解槽。铝电解槽在增大生产能力的同时，原铝的质量也有了明显的提高，有的达到9985AL。由于铝电解生产需要大量的电能，故降低单位铝产量的电能消耗是历来全力以赴的目标。在铝工业生产的初期，每KGAL电耗高达3040KWH/KG。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，电耗率亦相应地有所降低，20世纪90年代以来一般为每千克AL电耗率1315KWH/KG，有的甚至降低到125KWH/KG。目前炼铝的方法仍以冰晶石氧化铝熔盐电解法为主。多年以来，为了探索新的炼铝方法，曾经试验了多种炼铝新方法，如碳热法，氯化铝法等，虽然取得了一定的进展，但在可预见的将来都还不能在经济上和规模上与电解法相匹敌。13国内外铝工业现状与发展131国外铝工业的现状本世纪八十年代以来，国外新增电解系列已普遍采用大型预焙阳极电解槽，系列电流强度普遍达到180350KA，吨铝直流电耗降至1290014000KWHT1。目前，西方国家用于生产的电解槽最大电流强度为350KA，且绝大多数企业为280320KA的超大型预焙槽，电流效率平均达到了9496。近年来，我国新建槽多采用180300KA的大型槽，改造旧槽因投资等方面的原因，多采用75KA或160240KA之间的槽型，其技术与世界先进水平比仍有一定的差距，到目前为止，国内仅有少数企业采用技术上与世界一流企业基本同步的280320KA之间的槽型。目前，我国生产使用的铝电解槽，最大的槽型是电流强度为350KA的槽型应用于平果铝业公司，还有电流强度仅24KA的槽型，我国电解槽电流效率平均仅为8690。2003年底全国83382万T产能中，280KA以上特大型预焙槽产能为1526万T，占总产能的183；160240KA大型预焙槽产能为3871万T，占总产能的465；小型预焙槽产能为19024万T，占总产能的228；还有10388万T产能仍然是使用落后的自焙槽，占总产能的125。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。进入20世纪90年代以来，世界铝产量持续保持增长，铝产量从1900年的1935万T增加到2003年的27946万T，与1900年相比，年均增长34。随着近几年铝工业的技术及装备水平的提高，全球产量增长迅猛。全世界原铝生产国从1995年的43个增加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，实际产量为27946万T中国550万T，比2002年增长71。按1995年铝产量排名，居前4位的依次是美国3375万T，俄罗斯2722万T，加拿大2172万T，中国1869万T。从2001年至今，全球最大产铝国是中国。2003年居二、三、四位的依次是俄罗斯、加拿大、美国。目前，我国已由铝的净进口国变为铝的净出口国。2003年，我国净出口电解铝4927万T，首次成为世界原铝输出国。中国铝工业的高速发展，引起了世界瞩目，产量居世界第一、消费居世界第二的中国铝工业，将由粗放经营向着集约化经营转变，将逐渐由世界铝工业大国向着世界铝工业强国迈进。表120002006全球电解铝市场供求状况项目2000200120022003200420052006产量（万吨）2442244526092801292530813280消费量（万吨）2484240825502748291530503300供求（“”号表示消费缺口）4213675875369131122005年底我国按电流强度区分的电解槽数量、产量和能力实有槽数2005年底开工数生产能力产量电流强度个个万T万T合计217401781610207778其中320350KA596556535479280300KA3554277426571590115240KA102208976526446051090KA7100551217442003年全球原铝含铝合金的消费为27168万T，比2002年增长77。消费增长速度最快的国家和地区依次为中国247、其他亚洲国家118和拉丁美洲112。西方世界消费增长速度则仍然较慢，不过日本铝消费增长却达到了45，基本摆脱了长期下滑的趋势。目前铝的最大消费国是美国，其次为中国。自20世纪80年代中起，我国铝的消费开始发生变化，特别是进入20世纪90年代后，铝在建筑、交通运输和包装三大领域逐渐成为象发达国家那样的铝消费主体，近几年汽车制造、电网改造等行业用铝量也大幅增长。铝消费量已从1990年的83万T上升到2003年的550万T，2003年的消费量是1990年的6倍多。从表1看出，虽然目前世界原铝的库存仍处于历史高位，但随着世界就经济复苏后消费量的迅速增加，预计今后几年，铝会由供应过剩逐步转变为供需基本持平甚至小量短缺。因为尽管铝产能在扩张，但从长远来预测，随着世界经济的进一步复苏，国内外铝消费状况有望长期保持旺盛的增长势头，从而支持铝价相对坚挺，这将促使世界铝产量持续增长；近几年，全球经济复苏拉动世界需求增长，资源和能源相对短缺，电价和氧化铝价格居高不下，各国环保要求不断提高，铝生产成本不断增加，过渡产能扩张铝供大于求等因素，都对电解铝企业的利润空间造成压缩，这将使一些小铝厂或电价、氧化铝价格高的生产厂家难以支撑而减产甚至关闭停产，从而使铝产业投资过热得到降温，铝产量增速放缓，铝消费量相对加快，这将促使铝市场从供应过剩向着供需基本持平甚至小量短缺的方向发展；表220072011年世界原铝产量占世界产量1/5的中国，对世界铝的供求状况有着举足轻重的影响，随着我国限制钢铁、电解铝、水泥行业盲目扩张以及银根紧缩的宏观政策出台，我国电解铝产能低水平盲目猛增的势头已经得到了有效控制，这将促使占世界产能1/4的中国铝工业加快实现由粗放型向集约型的转变。因此，在世界和我国金属铝供求关系正在发生有利于铝产业良性发展的这种背景下，年轻的世界铝工业将方兴未艾，前景看好。132我国铝工业的发展状况1中国电解铝铝工业发展历程中国电解铝工业50年的发展历程大致可以分为三个阶段第一阶段从中国第一家电解铝厂抚顺铝厂1952年4月开工建设到70年代末期，可以认为是中国电解铝工业的发展初期。1952年当抚顺铝厂一期工程开工建设时，其设计产能仅为年产15万吨。1958年中共中央、国务院分布了关于大力发展铜铝工业的指示，铝被定为国民经济的第二大金属材料。从此，国家开始对铝工业的发展给予巨大的政策支持和资金扶持，使中国铝电解工业开始走上了发展轨道。这一时期，贵州铝厂、兰州铝厂、包头铝厂、青铜峡铝厂、连城铝厂、郑州铝厂电解分厂等相继建成投产，初步形成了八大铝厂的生产格局。电解技术基本是以旁插和上插自焙阳极铝电解梢工艺和设备为主，产量达到了36万吨。5060年代中国电解自焙槽主要缺点是电流效率低、能耗高、劳动生产力低，特别是电解槽密闭性能差，电解烟气中含有大量的沥青挥发物，对生产操作和环境污染影响极大。70年代中后期，我国自行设计并建造了135KA中间下料预焙阳极铝电解槽系列。在1979年贵州铝厂扩建过程中，引进了日本当时还处于试验阶段的160KA中间下料预焙阳极电解槽技术。从此，中国电解铝工业的技术水平开始有了很大的提高。第二阶段从80年代改革开放到90年代初，是中国电解铝工业步入常规发展时期。1982年在国家“优先发展铝”的方针指导下，一些建于6070年代的铝厂开始纷纷进行改扩建，以提高生产规模和效率。如贵州铝厂与贵阳铝镁设计研究院合作开发了186KA大容量、高效能预焙槽；包头铝厂兴建了135KA预焙槽系列；青海铝厂在吸收消化贵州铝厂技术的基础上建成了20万吨电解铝厂等。这一系列项目的相继建成，预示着中国铝工业开始向规模化大生产方向发展。与此同时，在市场利益的驱动下，一些具有电力优势和铝土矿优势的地区也纷纷投资兴建了一批小型60KA白焙槽电解铝厂。这段时期，全国电解铝的产量由70年代末的36万吨发展到1992年的109万吨，使中国电解铝生产首次突破厂100万吨大关。第三阶段从1992年到跨入新世纪，是中国电解铝工业步入世界铝工业生产大国阶段。这一阶段主要有四个特征一是发展速度跃居世界前列。仅用10年时间，中国电解铝产量就从1992年的109万吨迅速发展到2001年的34246万吨，形成了中国铝业公司、青铜峡铝业公司、兰州铝业公司、山东铝业公司、包头铝业公司、山西关铝公司、焦作万方铝业公司等为代表的大型铝生产企业。全球排名从1991年的第六位跃居为2001年第一，成为世界生产大国，并首次由净进口国成为净出口国；二是技术趋于先进。近几年中国新建和改扩建的电解铝工程都采用200KA以上的大型预焙槽，230KA、280KA、300KA预焙槽型、干法净化、氧化铝自动下料和浓相输送、电解槽智能化控制等先进技术被广泛应用，2001年160KA以上电解槽产量超过150万吨，占全部产量的45左右，技术经济指标达到或接近国际水平；三是生产规模日趋扩大。在1995年全国电解铝生产企业就达到了53家，电解铝产能197万吨，产量168万吨。到2001年，中国的原铝产能达到了433万吨，跃居到世界第一位，占全球总产能的157。到2002年中国电解铝企业猛增到138家，产能546万吨，产量4321万吨，在全球排名第一。20012002年中国电解铝生产能力和产量的增长极大程度地弥补了西方世界的原铝产能关闭对市场的影响，中国原铝产量在世界所占份额也不断上升，1995年份额不足10，2002年就达到了204。在2003年产量继续增长到5419万吨，同比增长254，占世界总产的247。即使如此，中国电解铝生产和投资在2003年仍然大幅扩张，2003年有在建项目47个，建设规模约500万吨，投资额约350亿元。四是除国家重点铝厂迅速发展之外，以各种渠道集资筹办的地方铝厂私人资本、中外合资、乡镇企业、地方国营等发展更加迅猛。由于生产铝需要消耗大量的电能，所以我国的铝生产企业基本上集中在西部地区。在2002年中国排名前六的铝生产省份是河南、甘肃、贵州、山东、青海和山西；2003年前六分别是河南、山东、青海、甘肃、山西和贵州。其中河南铝产量1803万吨，占全国产量的22，山东1049万吨，占总产量13，其他几省产量在78范围。2中国电解铝生产规模和分布从产能规模上看，截止2003年底，中国电解铝总产能达到83382万吨，平均产能规模为567万吨/年，虽然比2002年的平均水平407万吨/年有较大程度的提高，但是还远远低于国外近20万吨/年产能的平均规模。2002年美国铝业产量达到了3432万吨，而同期占有中国原铝产量最大份额的中国铝业只有735万吨，仅相当于美铝的五分之一强。中国电解铝企业数量超过了国外企业数量的总和。2003年底达到了147家，分布在除北京、上海、天津、广东、海南和西藏外的25个省（市、区），在陇海铁路沿线比较集中，形成一个密集的铝工业带。河南省的电解铝企业数量为22家，位于全国数量的首位；企业数量超过10家的有山东、山西、青海、湖北和湖南5个省。其中2003新建成的12家电解铝企业分布在全国8个省（市、区），有5家位于山东省内。从经济区分布看，主要集中在华西和华中地区，经济发达的环渤海、长三角、珠江三角洲产量较少。中国电解铝厂家平均规模超过10万吨的有4个省市宁夏、内蒙、甘肃和辽宁；平均规模在510万吨的有8个省；25万吨的有5个省，还有8个省的平均规模不到2万吨。把产能和数量结合在一起，2003年的特点是高产能企业数目有了显著增加，产能超过10万吨的企业比上年增加13家达到30家。2003年底，在全国147家电解铝企业中，产能超过30万吨的2家；产能在1030万吨的28家；产能在110万吨之间的最多，有91家，占总数的619；剩下26家的产能在1万吨以下。表32003年各省铝产量所占份额资料来源中国铝业表42003年各经济区电解铝产量分布1国内外铝工业发展技术的进步铝电解工艺经过百余年的生产实践，尤其是由于近20年来现代科学技术的飞速发展，使人们对铝电解过程有了更深入的认识。特别是计算机技术的发展及在电解铝工艺上的应用，为电解槽建立起热、电、磁力和流动等物理场的各种数学模型，使槽型设计更科学化和生产过程控制更自动化。代表世界先进潮流的280KA以上的高效大型预焙槽，就是在上述科技进步的基础上开发研制的。（1）国外高效大型预焙槽的发展和技术特点90年代以来，国外电解铝工业高新技术进步很快，其主要表现在电解槽容量大型化、高效化，技术经济指标和劳动生产率提高，槽寿命延长和环保条件改善等方面。据资料介绍，国外电流强度达到280KA以上的超大容量电解槽比较著名的有3种槽型，即法国彼施涅铝业公司的300KA预焙槽AP30型、美铝公司的300KA预焙槽A817型、俄罗斯和德国联合铝的300KA预焙槽CA300/VAW型。这些高效低耗长寿的大型预焙槽及其工艺技术堪称90年代高新技术，现已成为21世纪铝工业的主流。大型预焙槽AP30技术现已成为新建铝厂的依据和样板。国外280型预焙槽的特点主要是1指标先进电流效率为946，直流电耗为13240KWH/TAL，净炭耗为419KG/TAL，电流密度074A/CM2，密闭效率98，排氟量07KG/TAL，全员劳动生产率390T/人年；25根立柱进电，有尺寸为1450650560MM的预焙炭块40组，槽寿命超过6年；3连续化自动化程度高微机控制4点打壳下料、出铝、更换阳极、提升母线；4采用超浓相输送方式输送载氟氧化铝载氟氧化铝用超浓相输送系统往槽上的料仓中供料，使槽上料箱永远保持满仓，与电解槽内要求的氧化铝浓度及下料速度相适应。表52003年全国十大铝冶炼企业铝产量单位吨资料来源中国铝业法国彼施涅铝业公司开发的280KA的预焙槽，1991年改进成300KA的AP30型预焙槽进行推广应用。AP30型预焙槽的特点主要是1与280型槽相比，投资相同，但产量提高了；2为适应300KA的电流改变了AP28型的阳极系统，增大阳极炭块面积，由原来40块减少到20块，用20根阳极导杆单独控制阳极，阳极电流密度078A/CM2；3采用半石墨化阴极，重新设计槽侧部保温层结构，建立高电流密度下的热平衡；4每套打壳加料器装有2个气缸，保证打壳和加料两种功能独立运作；5加料点位置选在电解质旋流速度快的地方，以保证下到电解质中的物料快速扩散和溶解，减少炉底沉淀；6固体电解质用自动加料装置送到槽上，与氟化铝一起通过重力点式加料器加入槽内；7采用装置有分流器的焦粒预热焙烧灌熔体电解质的方法，以50H快速平稳启动，可以防止槽子热震冲击和渗铝引发的早期破损现象出现，提高槽寿命；8电解槽操作依靠计算机实行自适应控制，使极距、槽温度、氧化铝浓度和分子比等参数技术条件的变化始终保持在狭窄的范围内，保持电解槽在设定的最佳状态下平稳高效运行；9长期生产统计出的工艺技术参数和技术条件是槽温度955959，过剩氟化铝116，阳极效应系数023次/槽日。选择AP30型槽电解系列槽数为264、288、300台时，使单位投资接近最佳值，最佳生产规模为215万T/A，最高产能可达到50万T/A。例如，加拿大阿鲁特铝厂AP30型槽系列电压1135V，电流强度295KA，槽电压43V，电流效率95，直流电耗13500KWH/TAL，净炭耗420KG/TAL，氧化铝单耗1920KG/TAL，阳极效应系数0203次/槽日，日产量2240KG。再如法国敦刻尔克厂，电流强度295KA，电流效率95，直流电耗13000KWH/TAL。（2）我国大型预焙槽技术取得的进步20世纪70年代末，我国贵州铝厂从国外引进了160KA中间下料预焙槽技术，并应用于贵州铝厂和云南铝厂的技改工程中，指标达到电流效率915，原铝直流电耗13594KWH/TAL，阳极炭毛耗590KG/TAL和净耗421KG/TAL，氧化铝单耗1940KG/TAL，冰晶石12KG/TAL，氟化铝24KG/TAL，创国内指标领先水平和达到国际20世纪80年代水平。我国180KA大型预焙槽主要技术特点14立柱进电式母线配置。应用母线优化设计软件设计出非对称性4点进电母线配置，使槽内磁场分布、铝液界面状态和流速等方面，比引进160KA槽有很大改善。而186KA槽实测值为135CM/S。2单围带摇篮托架式槽壳结构。3螺杆起重机式上部结构。4交错进行4点定容下料系统。5窄炉膛375MM加工距离和200MM中缝设计。628组单块阳极，炭块尺寸1450660540MM。718组通常半石墨化炭阴极，炭块尺寸3250515450MM，每块阴极4根扁钢棒。8铝液预热焙烧启动，获得适宜的工艺技术条件是工作电压404V，电解温度950，分子比2426，氧化铝浓度23，铝液和电解质水平分别为1820CM和2224CM，阳极效应系数072次/槽日180KA大型预焙槽开发成功，说明我国已具有开发设计和研制大型预焙槽的技术水平和能力，使我国现代大型化预焙槽技术又进了一大步。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/TAL，净炭耗420KG/TAL，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。280KA320KA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SY300300KA预焙阳极铝电解槽，在河南伊川铝厂新建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9376，直流电耗为13544KWH/TAL，达到了国际先进水平。目前，我国在2025万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135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的AP30300KA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。（3）我国铝工业与国际领先水平比较1）我国铝工业整体技术水平与国际先进水平比仍有较大差距目前，西方国家用于生产的电解槽最大电流强度为320KA，且绝大多数企业为280320KA的超大型预焙槽，电流效率平均达到了9496。近年来，我国新建槽多采用180300KA的大型槽，改造旧槽因投资等方面的原因，多采用75KA或160240KA之间的槽型，其技术与世界先进水平比仍有一定的差距，到目前为止，国内仅有少数企业采用技术上与世界一流企业基本同步的280320KA之间的槽型。目前，我国生产使用的铝电解槽，最大的槽型是电流强度为320KA的槽型应用于平果铝业公司，还有电流强度仅24KA的槽型，我国电解槽电流效率平均仅为8690。2003年底全国83382万T产能中，280KA以上特大型预焙槽产能为1526万T，占总产能的183；160240KA大型预焙槽产能为3871万T，占总产能的465；小型预焙槽产能为19024万T，占总产能的228；还有10388万T产能仍然是使用落后的自焙槽，占总产能的125。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我国最先进的大型预焙槽技术接近国际领先水平从表2可以看出，我国最先进的大型预焙槽与国际领先水平的西方国家的大型预焙槽相比，其各项技术经济指标都比较接近，只是电耗特别是槽阳极消耗和阴极寿命有比较大的差别。3我国先进大型槽与国际领先水平的主要差距目前，国内先进的大型预焙阳极铝电解槽，与国际领先的高效节能大型预焙阳极铝电解槽的差距主要表现在，阳极消耗量较大、槽寿命较低。这与阳极质量、槽阴极结构与材料以及槽生产操作等有很大关系。阳极质量。国际上，现代化大型预焙阳极电解槽的炭阳极净耗为400KG/TAL左右，这主要得益于高品质的阳极质量。目前，中国的沥青和石油焦质量较差，虽说近年来阳极生产工艺及装备水平有了很大提高，但与国际先进水平相比，阳极质量仍有较大的差距，对电解生产指标的提高有很大的影响。阴极结构及材料。阴极结构的设计与材料的选用对铝电解槽阴极内衬的寿命影响很大。炭氮化硅侧壁内衬加上槽侧下部和底部的防渗透内衬结构，已被很多大型预焙槽铝厂采用。表6国外先进技术指标对于阴极炭块的质量问题，法国彼施涅公司曾在3000多台大型预焙槽上，使用不同厂商提供的15种类型的阴极炭块进行研究，主要选取了典型的无烟煤、半石墨质、石墨质和石墨化阴极炭块进行试验。试验结果表明在正确合理的设计、施工和生产操作的前提下，石墨化阴极炭块良好的机械、导电、导热性能可以使铝电解槽得到最佳的技术指标和良好的经济回报率，只是其磨蚀速度略高于无烟煤或半石墨质阴极炭块。3世界电解铝工业发展趋势目前世界电解铝工业的发展趋势主要表现在如下五个方面（1）世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化。先进企业实行联合、兼并、重组和强强联合，组成超大规模的铝业集团，世界铝工业发展日趋规模化、集团化、国化。目前西方国家的铝企业正在强强联合，发展大铝业集团，并加快产业结构调整，新建电解铝厂多数位于能源价格低廉的地区。近年来，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，国外大型铝企业集团和跨国公司实行资本运营和生产经营紧密结合，连续不断地收购、兼并、联合，以低成本扩张的方式，组建更大规模的企业集团。世界铝工业的规模化、集团化、国际化趋势已十分明显。西方国家电解铝企业正在实行兼并、重组和强强联合，组成超大规模的铝业集团。如美国铝业公司在1998年兼并美国阿鲁玛克斯ALUMAX公司后，2000年3月，又兼并美国雷偌兹金属公司，成为集铝土矿采选、氧化铝、电解铝和铝材加工为一体的世界铝业巨子；2000年6月，加拿大铝业公司ALCAN与瑞士铝业公司合并，成为世界第二大铝业集团；俄罗斯国内的铝工业也正在进行结构调整，组建铝业集团。全球年产能大于40万T的铝及铝加工企业有12个，最大规模为俄罗斯的布拉茨克BRATSK铝厂，年产能94万T。2001年3月，我国新成立的中国铝业公司，其电解铝年产能为675万T。近两年来，通过这种联合、兼并和重组，全球铝业跨国公司已由10个减少到8个。此外，目前世界上新建铝企业的规模都比大。西方新建或改造电解铝的起步规模平均在2550万T之间。如加拿大铝业公司投资19亿美元正在建设的阿尔玛ALMA铝厂，年产能40万T；2001年6月，由比利顿BILLITON矿业公司控股的莫桑比克铝冶炼公司，投资10亿美元建设与一期相同的原铝能力253万T；法国普基铝业公司计划在委内瑞拉建设一个年产能达46万T的电解铝厂；几内亚拟在未来45年内投资25亿美元新建一个年产能达30万T的电解铝厂及相关项目。年产50万T电解铝的海湾巴林铝厂拟扩产到70万T规模。扩大产能的目的是节约成，提高劳动生产率，加强竞争力。（2）铝电解槽日趋大型化或超大型化，其科技含量、智能化程度越来越高冰晶石氧化铝电解法发明110多年以来，电解槽设计渐趋合理，容量大幅度增加，其科技含量、智能化程度越来越高，发展大型或超大型高效、智能化的铝电解槽已经成为当今电解铝企业技术进步的标志和趋势，世界铝电解工业的技术及装备水平已经有了很大提高，在生产规模、电解槽容量、计算机应用、机械化和自动化程度以及烟气治理等方面都有了较大的进步变化。近年来，计算机技术的应用，带动了电解过程物理场的深入研究和有关数学模型的建立，使电解槽的设计从经验向计算机辅助设计方向发展。由于电解槽设计渐趋合理，世界新建铝电解槽容量大幅度增加。采用大容量、高效能的智能化铝电解槽是21世纪电解铝技术发展的主流。这种电解槽电流强度大、单槽及系列槽的铝产量高、消耗低、电流效率高、使用寿命长、污染低。如法国彼施涅公司的500KA超大型铝电解槽；加拿大阿尔玛铝厂300KA的铝电解槽；委内瑞拉铝业公司320KA的铝电解槽。（3）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电解铝工业未来技术发展方向是高产、优质、低耗、长寿和低污染，其涵义分别是高产提高单槽及系列槽的铝产量；优质提高铝产品质量；低耗减少电解铝的电耗和氧化铝原料及辅助物料消耗；长寿提高电解槽的寿命；低污染减少烟气氟化氢和二氧化硫排放量，达到国家的环保标准。西方国家先进电解铝技术的发展，体现在技术经济指标的先进性上1槽型大，电流强度达300KA以上；2电流效率高一般达到9495，个别企业已经提高到96；3吨铝直流电耗低一般为1320013400KWH，个别企业已经降低到13000KWH。（4）世界铝工业向电力充裕廉价、铝土矿资源丰富的地区转移目前，世界原铝生产成本中电费占据相当大的比重，因此，如何降低发电成本和电价，降低原铝生产电耗，是铝工业生存和发展的重要研究课题。虽然日本是铝的消费大国，但铝产量却从1980年的110万T急剧下降到1982年的35万T，变成产铝小国，1989年仅存一家蒲源铝厂。日本现主要靠在海外投资来获取金属铝，仍保持人均年耗铝28KG的高水平。日本铝工业的衰落，除资源贫乏之外，最主要的是能源短缺，铝用石油电价高达75美分/KWH，超过国际铝业平均用电价格2021美分/KWH数倍。日本铝工业的兴衰发人深思，电价渐渐变成左右铝工业发展的制约因素。当今世界铝工业被迫向电力充裕廉价的地区转移，向铝土矿资源丰富区域和发展中国家转移。例如加拿大、挪威、巴西、委内瑞拉、澳大利亚、中国、巴林、南非等国家铝工业迅猛发展，使世界铝工业分布形成新的格局。铝的产消大国美国同样因存在电价不低的缘故而没有再建新厂，有些铝厂盈利不大而处于关停边缘。因此美国铝产量呈低落趋势。美国西部铝用水电价为23美分/KWH，沿海铝用煤电价为30美分/KWH，它采用铝电价格挂钩的办法解决铝的用电问题。（5）电解铝新技术探索不断进行一些国家特别是西方国家企业正在研究开发电解铝的最新技术，如为减少阳极消耗，美国铝业公司开发出的惰性阳极湿润性阴极电解技术正在进行工试验；法国彼施涅公司开发出的500KA特大型电解槽正在试验工业化生产；澳大利亚新建导流式电解槽；我国的低温铝电解技术研究等。这些新技术的探索应用，将大幅度提高单槽和系列槽的产量，而且更加重视环保和节能，进一步降低电解成本。14铝电解的发展趋势141世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化此外，目前世界上新建铝企业的规模都比较大。西方新建或改造电解铝的起步规模平均在2550万吨之间。如加拿大铝业公司投资19亿美元正在建设的阿尔玛（ALMA）铝厂，年产能40万吨；2001年6月，由比利顿（BILLITON）矿业公司控股的莫桑比克铝冶炼公司，投资10亿美元建设与一期相同的原铝能力253万吨；法国普基铝业公司计划在委内瑞拉建设一个年产能达46万吨的电解铝厂；几内亚拟在未来45年内投资25亿美元新建一个年产能达30万吨的电解铝厂及相关项目。年产50万吨电解铝的海湾巴林铝厂拟扩产到70万吨规模。扩大产能的目的是节约成本，提高劳动生产率，加强竞争力。142铝电解槽日趋大型化或超大型化，其科技含量、智能化程度越来越高冰晶石氧化铝电解法发明110多年来，电解槽设计逐渐合理，容量大幅度增加，其科技含量、智能化程度越来越高，发展大型或超大型高效率、智能化的铝电解槽已经成为当今电解铝企业技术进步的标志和趋势，世界铝电解工业的技术及装备水平已经有了很大提高，在生产规模、电解槽容量、计算机应用、机械化和自动化程度以及烟气治理等方面都有了较大的进步变化。143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西方国家先进电解铝技术的发展，体现在技术经济指标的先进性上1）槽型大，电流强度达到300KA以上；2）电流效率高，一般达到9495，个别企业已经提高到96；3）吨铝直流电耗低，一般为1320013400KWH，个别企业已经降低到13000KWH。144世界铝工业向电力充裕廉价、铝土矿资源丰富的地区转移目前，世界原铝生产成本中电费占据相当大的比重，因此，如何降低发电成本和电价，降低原铝生产电耗，是绿工业生存和发展的重要研究课题。虽然日本是铝的消费大国，但铝产量却一直下降。日本现在主要靠在海外投资来获取金属铝，仍保持人均年耗铝28KG的高水平。日本铝工业的衰落，除资源贫乏之外，最主要的是能源短缺，铝用石油电价高达75美分/KWH，超过国际铝业平均用电价格2021美分/KWH数倍。日本铝工业的兴衰发人深思，电价渐渐变成左右铝工业发展的制约因素。当今世界铝工业被迫向电力充裕廉价的地区转移，向铝土矿资源丰富区域和发展中国家转移。表7原法国普基公司（PECHINEY）的氧化铝质量标准（元素含量以104表示）2厂址的选择与论证厂址选择要根据国民经济建设计划和工业布局的要求进行。厂址选择适当与否，对企业的建设速度、建厂投资、生产发展、经济效益、环境保护及工农关系等会带来重大影响5。厂址选择的一般原则是应符合工业布局及区域性总体规划和城市建设规划的要求；要尽可能利用城镇设施，节约投资；要靠近原材料、水、电供应充足和产品销售便利的地方，有较好的交通运输条件；要注意节约用地，少占或不占农田，留有发展余地；要有适当的自然地形和适宜的工程地质、水文、地震等级条件及较好的协作条件等。在进行厂址选择时，应充分论证以下几个问题21工业布局问题建设一座有色冶金厂，对全国的工业布局、一个区或一个城市的合理发展、各工业区之间的经济协调以及农业发展等起着重要的作用，应根据工业布局“大分散、小集中、多搞小城镇”的方针，按“工农结合，城乡结合，有利生产，方便生活”的原则，进行厂址选择和居住区规划，使之符合工业布局总体规划及城市建设规划的要求。22原材料供应及交通运输条件有色金属冶炼是连续性的，物料吞吐量一般很大。因此在进行厂址选择时必须从分考虑交通运输问题。为了减少运输费用，在保证良好的运输条件下，应使厂址尽可能接近原材料基地和销售市场。23供水、供电条件有色冶炼厂一般是大量用水和耗电多的企业。因此希望厂址附近有充分的水源和电源。以供电为例，厂址距离电源每增加1公里，就需增加外部高压输电线投资34万元，这不仅大大增加投资，而且影响建设进展，所以冶金企业应尽可能选择在供电网经济供电半径之内使至关重要的。24环境保护和节约用地问题有色冶金生产特点之一是无一例外地产出大量造成环境污染的“三废”物质，除必须有完善的“三废”治理工程设计外，在选择厂址时，必须尽量考虑在主导风向和主要水流的下游位置，安排好“三废”处理场地和废渣堆放场地，要有良好的自然通风条件，并应考虑厂址附近居民点、城市发展规划、农牧渔业及旅游胜地、自然资源保护区等问题。选厂址应注意节约用地。不占或少占良田好地，菜园，果园等；厂区的大小，形状和其他条件应满足工艺流程合理布置的需要，并应有发展的可能性。25厂址的工程地质及水文地质条件冶炼厂的土建投资是相当大的，厂址地震等级的不同会对建筑结构及基础工程的投资带来很大的影响，所以厂址不能选在发震断层地区和基本烈度为9级以上的地震区。此外，所选厂址的地耐力应不低于14711961KPA，地下水位最高也要低于基础地面05M，厂址最低洼处要高于历年最高洪水位05M以上；不能选在厚度较大的级自重湿陷性黄土地区和有泥石流或滑坡等危害的山区，厂址地下不宜有有用矿物矿藏或以开采的矿坑和溶洞等。以下类型地区也应加以避免易受洪水，泥石流，滑坡，土崩等危害的山区；有卡斯特，流砂，古河道，古井，淤泥，地下墓穴等地质不良地区；对机场，电台等使用有影响的地区；国家规定的历史文物，如古墓，古寺，古建筑；园林风景区和森林保护区，风景游览区；水土保护禁垦区和生活水源第一卫生防护区；地方病流行地区。26厂址