年产10万吨铝电解车间设计(毕业设计)

湖南有色金属职业技术学院 2014届毕业设计(论文、作品)年产10万吨铝的电解车间设计目录 21.1铝的物理化学性质 21.2国内外铝工业发展的现状及趋势 31.2.1国内外电解铝工业发展现状 31.2.2电解铝工业发展趋势 42电解铝的生产工艺流程选择 42.1.1铝电解工艺流程 42.1.2铝电解的原料与辅助原料 52.1.3电解铝机理 93主要技术经济指标计算及设备选择 2.1铝电解槽的简介 2.2电解槽的设计及相关计算 2.2.1单个电解槽日产量计算 2.2.2电解槽槽数的确定 2.2.3备用槽槽数 2.2.4电解槽理论吨铝直流电耗的计算 2.2.5电流密度 2.3铝电解槽结构参数的确定 2.3.1阳极尺寸 2.3.2槽膛尺寸 2.3.3槽壳尺寸 2.3.4阴极炭块数目 2.3.5铝母线 2.3.6极距 2.4铝电解槽的电压平衡计算 2.4.1极化电动势 2.4.2电解质电压降 2.4.3阳极电压降 2.4.4阴极电压降 2.4.5铝母线电压降、阳极效应均摊电压降 202.4.6槽平均电压 204物料平衡计算(简单的冶金计算4、5部分可以合在一起) 213.1铝产量 213.2A1₂O₃消耗量 213.3实际消耗量 213.4氟化盐的消耗量 213.5阳极炭块的消耗 223.6物料平衡列表 225电解铝热量平衡计算(简单的冶金计算4、5部分可以合在一起) 234.1电能收入 23 234.2.1补偿电解反应所需的能量 234.2.2补偿加热原料所需的能量 244.2.3母线损失的能量 244.2.4电解槽的热损失 246电解铝车间配置图 257参考文献 261摘要电解槽是铝生产的主要设备，本设计在分析了大量文献资料和实地调研的基础上，对铝电解槽结构进行了设计计算，对生产电解铝工艺过程的能量平衡、电压平衡、物料平衡进行了计算，以熟悉铝电解过程，并在计算的基础上，对主要设备进行选型和车间平面设计及总图确定。本文也介绍了铝的物理化学性质以及铝电解过程物理化学反应，铝电解质体系的性质，电解槽种类、电解槽的基本结构和其参数以及电解车间设计的基本原理。设计中选用现行铝电解工艺中较为成熟的基本工艺参数，电流强度选用比较常见的240KA,槽型选用中间下料四点下料预焙槽。电解槽的电流效率为94%,车间总生产能力为年产10万吨。编制设计说明书，绘制电解槽结构图，车间平面图和工艺流程图。21.1铝的物理化学性质铝是地球上含量极丰富的金属元素，其蕴藏量在金属中居第2位。至19世纪末，铝才崭露头角，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。1854年，法国化学家德维尔把铝矾土、木炭、食盐混合，通入氯气后加热得到NaCl,A1Cl₃复盐，再将此复盐与过量的钠熔融，得到了金属铝。1886年，美国的豪尔和法国的海朗特，分别独立地电解熔融的铝矾土和冰晶石的合物制得了金属铝，奠定了今天大规模生产铝的基础。近一个世纪的历史进程中，铝的产量急剧上升，到了20世纪60年代，铝在全世界有色金属产量上超过了铜而位居首位，这时的铝已不单属于皇家贵族所有，它的用途涉及到许多领域，大至国防、航天、电力、通讯等，小到锅碗瓢盆等生活用品。它的化合物用途非常广泛，不同的含铝化合物在医药、有机合成、石油精炼等方面发挥着重要的作用。铝及其合金的优良特点是其外观好、质轻，可塑加工性、物理和力学性能好，以及抗腐蚀性好，从而使铝及铝合金在很多应用领域中被认为最为经济实用。纯净的铝是具有银白色光泽的金属，密度为2.70g/cm³,熔点为660.4℃,沸点为2467℃。铝具有良好的低温强度特性，强度随温度降低而增大，即使温度降低到-198℃铝仍不变脆。铝没有磁性和毒性，具有良好的延展性、导热性以及良好的反射光、热的能力；铝的导电性仅次于银和铜(导电率为铜的64%,而密度为铜的30%)。铝的表面具有高度的反射性。辐射能、可见光、辐射热和电波都能有效地被铝反射，而阳极氧化和深色阳极氧化的表面可以是反射性的，也可以是吸收性的，抛光后的铝在很宽波长范围内具有优良的反射性，因而具有各种装饰用途及具有反射功能性的用途。铝元素位于元素周期表第三周期第三主族，最外层有3个电子，容易发生还原反应失去这3个最外层电子形成+3价铝离子。铝具有两性的特点，遇酸显碱性，遇碱显酸性，和碱反应生成偏铝酸盐，和酸反应生成铝盐。应指出的是，在常温下浓硫酸和浓硝酸会使铝钝化，但加热时会发生复杂的氧化还原反应；只有盐酸和稀硫酸等才会跟铝发生置换反应，生成盐并放出氢气。3铝在空气中表面会生成一层致密的氧化铝保护膜，因此它不易被腐蚀，但能被碱所溶解1。铝粉可燃铙，和氧气反应发出强烈白光，生成氧化铝；铝能与非金属发生反应(如硫等)生成铝的化合物(如Al₂S₃等);铝也能与不活动金属氧化物发生反应，反应的混合物就是我们熟知的铝热剂；此外铝还能与盐溶液发生置换反应，能与热水发生缓慢的反应生成Al(OH)₃并释放氢气等。1.2国内外铝工业发展的现状及趋势1.2.1国内外电解铝工业发展现状中国铝电解技术自70年代末引进160KA中间下料预焙槽技术之后，从消化国外技术开始，揭开了中国现代铝电解技术发展的序幕，以铝电解槽热电磁力特性及磁流体数学模型研究为核心，在工艺、材料、过程控制及配套技术等方面展开了广泛深入的研究工作。九十年代以来，在基础理论、大型铝电解槽开发现状及工程应用取得了一系列成果，开发成功了280KA、320KA以上的特大型电解槽技术，使铝工业的技术进步令人瞩目。大容量电解槽的开发，使中国铝电解技术总体上达到了国际先进水平，电解铝工业的面貌发生了根本的改变。实际运行方面比较差，由于开发时间短，对中国大型铝电解槽在生产领域的深层次开发明显不足，致使实际运行指标的生产指标与国际先进水平还有较大差距。就中国电解铝整体生产状态而言，能源综合利用效率要比国际先进水平低15%左右，主要表现在：电流效率相差2-3个百分点；吨铝电耗相差300-800Kwh;电解铝用阳极生产过程能耗相差3kj/t左右；电解铝阳极消耗相差30-60Kg(折合标准煤约75-150Kg);电槽槽寿命相差1000天左右；阳极效应系数国际先进为0.1次/天.槽以下，中国最好水平在0.3次/天.槽左右。二十世纪八十年代以来，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180～350kA,吨铝直流电耗降至12900～14000kw.h.t'。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280～320kA的超大型预焙槽，电流效率平均达到了94%～96%。但是大型槽能耗并不低于较小的电解槽，因为槽内混合效率不高而存在氧化铝浓度4目前世界电解铝工业的发展趋势主要表现在如下几个方面：(1)世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化；(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(3)电解铝生产的指标向着高产、优质、低耗、长寿和低污染的方向加快进步；(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。2电解铝的生产工艺流程选择现代铝工业生产，主要采取冰晶石—氧化铝融盐电解法。直流电流通入电解槽，在阴极和阳极上起电化学反应。阴极上是铝液，阳极上是CO₂和CO气体。铝液用真空抬包抽出，经过净化和澄清之后，浇铸成商品铝锭，其质量达到99.5-99.8%A1。阳极气体中大约含有70-80%CO₂和20-30%CO⁴I,还含有少量氟化物和沥青烟气，经过净化之后，废气排放入大气，收回的氟化物返回电解槽。5220KV交流电排入大气预焙阳极块阳极组装预焙阳极块组残极块组直流电氟化盐新鲜氧化铝净化后烟气干法净化电解槽烟气屋顶烟气一排入大气大修废料大修废料废渣场铸锭铝锭图1-1铝电解生产流程简图电解铝就是通过电解得到的铝。现代电解铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950℃-970℃下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，即电解。重要通过这个方程进行：2Al₂0₃=4A1+30₂个。2.1.2铝电解的原料与辅助原料铝电解所用的原料为氧化铝，辅助原料为冰晶石、氟化铝、氟化钙、6铝电解的主体原料是氧化铝。生产每吨铝所需的Al₂O₃量，从理论上计算等于1889kg。实际上由于工业氧化铝大约含有Al₂0₃98.5%左右，,以及在运输和加料过程中有尘散损失，所以生产每吨铝所需的氧化铝量大约是1920～1940kg。氧化铝是从铝土矿、霞石、蓝晶石、明矾石、高岭石、粘土中提取出来的。我国目前主要采用铝土矿作为制取氧化铝的原料。生产氧化铝的方法主要有拜尔法、碱石灰烧结法、拜尔-烧结联合法等，具体采用何种方法，视铝土矿的性质而定。氧化铝是当前冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产铝的主体原料。其主要作用是不断补充电解质中的铝离子(Al³),使其保持适宜范围的浓度，以保障电解生产持续、稳定地进行a:化学纯度的要求工业氧化铝中通常含有A120₃99%左右，其他成分通常为少量的SiO₂,在电解过程中，那些电位正于铝的元素的氧化物性质，如SiO₂和Fe₂O₃,都会被铝还原，还原出来的Si和Fe进入铝内，从而使铝的品位降低；而那些电位负于铝的元素的氧化物杂质，如Na₂O和CaO会分解冰晶石，使电解质成分发生改变并增加氟盐消耗量。P₂O;则会降低电流效率。水分进入电解槽内不仅可以水解冰晶石造成损失，引起电解质成分的改变，而且还要产生大量的氟化氢，恶化环境。若水分过大时，还能引起电解质爆炸，危及工人的安全。水分还会增加铝液中氢含量。所以铝工业对氧化铝的纯度提出了严格的要求。现代铝电解生产对于氧化铝的化学组成提出一些新的要求6l。例如，氧化铝中各项杂质的含量应符合表格1-1条件。Na₂0V₂O₅SiO₂P₂O₅Fe₂O₃TiO₂b:物理性质的要求工业氧化铝的物理性能，对于保证电解过程正常进行是很重要的。铝电解生产对氧化铝的物理性能的要求有：一：吸水性小，防止因水分过多水解冰晶石，甚至引起爆炸；二：溶解度大，避免氧化铝未及时溶解而生成大量沉淀，且能够较快7溶解在熔融电解质里；三：飞扬损失小，并且能够严密地覆盖在阳极碳块上，防止阳极氧化和减少热量损失；四：有较大的活性及足够的比表面积，能很好地吸收烟气中的氟化氢。这些物理性能取决于氧化铝晶体的晶型、粒度和几何形状。根据氧化铝的物理特性不同，可分为三类：砂状、粉状和中间状，安息角大小是其主要区分点(见表1-2)。表1-2不同类型氧化铝的物理特性类型a-A12O₃积堆积比重真比重安息角灼减粒度(-44%%%砂状中间状粉状物料的安息角取决于它的一部分颗粒在另一部分颗粒上滑动或滚动的阻力。砂型氧化铝呈球状，颗粒较粗，平均粒度约为40-50μm。安息角小，只有30°~50°,其中α—Al₂O₃含量少于20%,y-Al₂O₃含量较高，具有较大的活性，适于在干法气体净化中用来吸附HF气体，以及在半连续下料的电解槽上用作原料，故目前得到广泛应用[7]。粉型氧化铝呈片状和羽毛状，颗粒较细，安息角大，约为45°,α-Al₂O₃含量达到80%。中间型氧化铝介乎二者之间。铝电解生产中所用的氟化盐主要是冰晶石和氟化铝，此外，包括氟化钙、氟化镁、氟化锂[891等。在铝电解过程中，生产每吨铝的氟盐的消耗指标是：冰晶石5～20kg,氟化铝15～30kg,氟化锂2～3kg。a:冰晶石铝电解所用的熔剂主要是冰晶石(3NaF-AlF₃)。其中氟化钠与氟化铝的分子数之比称为冰晶石的分子比。分子比为3时，冰晶石呈中性；分子比小于3时，冰晶石呈酸性；分子比大于3时，冰晶石呈碱性。氧化铝能够溶解在由冰晶石和其它几种氟化物组成的熔剂里，构成冰晶石一氧化铝熔液。这种熔液在电解温度在电解温度950℃左右能够良好的8导电。它的密度大约是2.1g/cm³,比同一温度下铝液的密度2.3g/cm³小10%左右，因而能够保证铝液跟电解液分层。在这种熔盐里基本上不含有比铝更正电性的元素，从而能够保证电解产物铝的质量。天然冰晶石(3NaF-AlF₃)产于格陵兰岛，属于单斜晶系，无色或雪白色，密度2.95,硬度2.5,熔点1010℃。但是它的储量有限，远远不能满足全世界铝工业的需要，所以现代铝工业采用合成冰晶石，其化学成分见表1-3。表1-3人造冰晶石的质量标准(GB/T4291-1999)等级化学成分(%)不小于FFe₂O₃P₂O₅H₂O30min灼减特级二级三级b:氟化铝工业氟化铝是白色极细的粉末，不粘手。在常压下加热不熔化，但在高温下升华。工业上广泛采用氟化铝来调整电解质成分，既可弥补电解质中氟化铝的挥发损失，又可调节电解质的分子比。国家标准(GB/T4292-1999)如表1-4。表1-4氟化铝质量标准(GB4292-84)等级化学成分，%(质量F大A1大Na十P₂O₅十H₂O+一级47二级5c:氟化钙添加氟化钙一般在焙烧装炉时用之，其作用是起到矿化剂的作用，可以加速炉帮的形成，而形成的炉帮有较为坚固。同时可以降低电解质的初晶温度，从而降低电解温度。工业用氟化钙质量要求如表1-5所示。9表1-5氟化钙质量标准(YB326-70)成分等级不小于SiO₂CaCO₃H₂O一级二级三级四级d:氟化镁氟化镁(MgF₂)跟氟化钙作用基本相似，但氟化镁一般在电解槽启动后期添加，可加速炉帮的形成。槽中添加MgF₂,其作用比CaF₂作用强烈，实践证明这是一种较好的添加剂。工业上对氟化镁质量要求如表1-6所示。表1-6氟化镁质量标准等级≥≤一级FMgSiO₂R₂O₃H₂O铝电解基本原理就是熔体中各种离子在阴、阳两极上的电化学行为。到目前为止，有关铝电解基本原理的两大观点分别为铝被钠置换和与Al'直接放电[9]。两种观点的总反应方程式均为：2A1₂0₃(aq)+3C(s)=4A1(1)+Na₃AlF₆-Al₂O₃熔体中Na*是电流的主要传递者110),所传输的电流达到总数的99%。在单一熔盐电解过程中，传输电流的离子往往就是在电极上放电的离子。但是在复杂的熔盐体系中，如Na₃AlF₆-Al₂O₃熔体究竟是何种离子放电，则要根据它们的电极电位来确定。在其他条件相等时阳离子电位愈正，则在阴极上放电的可能性愈大，反之亦然。因此，在复杂的熔盐体系电解过程中，可能出现某种离子传递大部分电流，而在电极上放电的却是另外的离子的现象。阴极上析出的金属主要是铝，即铝是一次阴极产物。阴极反应是：Na₃AlF₆-Al₂O₃熔体中并不存在单独的A1³,铝是包含在铝氧氟配离子中。因此，A1³的放电之前首先发生含铝配离子的解离，但也不排斥配离子直接放电的可能性。Na₃AlF₆-Al₂O₃熔体电解过程是比较复杂的。这是由于阳极与阴极不同，炭阳极本身也参与电化学反应。铝电解时的阳极过程是配位阴离子中的氧离子在炭阳极上放电析出O₂,然后与炭阳极反应生成CO₂。阳极反应：20₂²-(配离子)+2C-4e=2CO₂[13铝电解槽设计3.1铝电解槽的简介铝电解槽是炼铝的主要设备。铝电解槽分为自焙槽、预焙槽和试验槽。预焙槽的阳极是预先焙制好的，预焙槽中又分为不连续阳极预焙槽和连续阳极预焙槽。不连续阳极预焙槽又分为边部下料和中间下料槽。这两种槽尤其是后者为目前铝电解生产的主力槽型。自焙槽的阳极是电解生产中在电解槽上自行焙烧的，按照阳极棒的插入方式又分为侧插阳极电解槽及上插阳极电解槽两种。由于自焙槽能耗大，且电解过程中产生有害的气体不便收集而极易造成严重的环境污染，因此这种槽型正在不断淘汰或被改造成预焙槽。下面的图分别为不连续阳极预焙槽、连续阳极预焙槽、上插棒阳极自焙槽和侧插阳极电解槽[21。图2-1不连续阳极预焙槽简图图2-2连续阳极预焙槽简图图2-3上插棒阳极自焙槽简图图2-4侧插阳极电解槽简图3.2电解槽的设计及相关计算本设计要求铝年产量为10万吨，原则上说，大厂用大电流的电解槽，小厂用小电流的电解槽。产量大的铝厂，如年产20万t以上，以大电流为好，280kA、300kA、皆可；而年产量在5-20万t的铝厂，则以160-280kA为主；年产5万t一下可选择60-160kA。本次设计选用240kA电解槽。选择中间下料预焙阳极电解槽，设计电流强度为240KA,电流效率指某台电解槽的日产原铝量与理论日产原铝量之比。η=(1000000Q/0.3356It)*100%。本设计中的电流效率为94%。3.2.1单个电解槽日产量计算0.3356———铝的电化学当量，g/(A·h)I———电流强度，A=1.817(t/台·天)t×10⁶=0.3356×240×1000×0.94×24×10⁶工作槽数的确定年产铝10万吨，则电解槽台数N计算如下Q———电解槽日产原铝量t———大修一台槽时间N———系列生产槽数台定为340天2000———电解槽内衬平均寿命dV———电解槽平均电压取4.068V电流密度也是铝电解槽的一个重要技术参数，随着电解槽电流强度的提高，电流密度降低，电解槽电流密度的降低，单位产品的电耗会随之下降，这使铝的单位成本降低。但同时电流密度的降低又会使电解槽尺寸加大，使基建投资等费用增加。反映到成本上，又使成本增加。因此，在一定条件下，应有一个最适宜的电流密度。在此电流密度下，作用相反的因素互相处于那样一种条件下，使得生产单位成本达到最低，此时的电流密度即成本电流密度D。式中：D———成本方面的经济电流密度A/cm²A———电解槽及所有附属设备，建筑物与低平等的费用β———电解槽的总电阻包括效应电阻平均值Ω由于经济电流密度的计算需要大量技术经济资料，而这些资料的获得，总是带有或大或小的误差，一定程度上影响到计算结果的准确性，所以目3.3铝电解槽结构参数的确定阳极尺寸是铝电解槽一个重要的结构参数。一般说来，电解槽容量越大，则阳极尺寸也要越大一些。预焙阳极炭块尺寸，视阳极排列与组数不同，长度各异，而宽度在500-750mm之间[15]。在这里，炭块的高度是一个主要参数。一般倾向于采用稍高一些的炭块，综合各种因子的考虑，本设计阳极尺寸设计取为阳极电流密度：I=0.733A/cm²,则阳极总面积S阳为：每块阳极的水平截面积S=155×66=10230cm²故需阳极炭块数目N=327421.555/10230=32阳极炭块组由阳极铝导杆，铝钢爆炸焊片，钢连接板梁，钢爪头和阳极炭块组成，阳极铝导杆长2278mm,断面为130mm×130mm纯铝材质，面积电流0.888A/mm²;铝钢爆炸焊片其中铝板规格165mm×165mm×12mm,钢板。铝钢接触面积超过98%,抗拉强度不小于0.8MPa,抗弯强度不小于0.7MPa,耐热不小于350℃。钢连接板梁的钢板规格为150mm×890mm×16mm,面积电流0.094A/mm²,共5片组成。钢爪头直径160mm,长280mm,爪间距200mm,面积电流0.1866A/mm²,每组阳极炭块一般共有四个钢爪头。取32块阳极，分两行排列，每行16组炭块。行间距离要便于安装下料装置，一般采用200mm～300mm,本次设计取250mm,组间距离一般采用40mm～50mm,本设计取为50mm。阳极升降速度和下料点数选择经验数据，升降速度50mm/min,升降距离400mm,下料点数4个。a:槽膛深度槽膛深度主要取决于槽中电解质与铝液水平及操作工艺制度。一般在400mm～600mm之间，槽膛过深则使电解槽造价增加，生产中热损失大，因此，目前不喜欢过深，常采用400mm～500mm。而在预焙槽上由于向阳极表面上加一厚层氧化铝，因此槽膛有些深，故本设计槽膛深度取为550mm。b:槽膛宽度与长度阳极炭块至槽膛侧壁之距离(大面),一般在300mm～500mm之间，本设计取500mm,阳极炭块至槽膛侧壁之距离(小面)稍小些，一般在450mm~550mm之间，本设计取450mm。所以槽膛宽度=2×500+2×1550+250=4350mm槽膛长度=16×660+15×50+2×450=12210mm。电解槽有长方形刚体槽壳，槽外壁和槽底用型钢加固，槽壳侧壁砌一层炭块，总厚180mm,槽底铺一层阴极炭块(450mm),两层耐火砖(2×65mm),一层氧化铝粉(40mm)和两层保温砖(2×65mm),以及一层65mm厚的硅酸钙特种保温砖。此外，在槽膛内砌一道斜坡。在中部下料预焙槽上，其侧壁保温层有所减薄，故敷设100mm碳化硅层，以适应生长边部凝固电解质层的需要。槽壳长度12210+2×180+2×100=12770mm槽壳宽度4350+2×180+2×100=4910mm槽壳深度550+450+40+2×65+40+2×65+65=1405mm3.3.4阴极炭块数目本设计阴极炭块设计规格为3250mm×515mm×450mm的阴极炭块。阳极氧化为：新阳极0,残极7.6cm,平均氧化3.8cm。每个阳极实际尺寸：每块阴极的水平截面积：325×51.5=16738cm²阴极炭块数N铝电解槽有阳极母线，阴极母线和立柱母线，都用铝制作。铝母线有两种：压延母线和铸造母线，后者通用于高电流的大型电解槽，铝母线的电流密度一般为0.25～0.40A/mm²。电解槽阳极母线断面为550mm×200mm,面积电流为0.35A/mm²,阳极母线采用铸造铝母线，两端用软母线连接，以便阳极母线升降，与立柱母线的连接采用压接。立柱母线断面为320mm×480mm,面积电流为0.38A/mm²。阴极母线也采用铸造铝母线，远电端母线面积电流为0.40A/mm²,近电端阴极母线经电解槽槽底沿纵向中心引出，与远电端母线汇集引入下一台电解槽，从而使电流分布均匀，减少了母线用量，减少了大容量电解槽产生的磁场影响。所谓极距，是指阴阳两极之间的距离。在工业电解槽上，浸在电解质里的阳极表面都是阳极工作面，而槽底上的铝液表面实际上就是阴极工作面。为便于测量起见，一般取阳极底掌到铝液镜面之间的垂直距离作为极距。工业电解槽中，提高极距，则电解质电压降有所增大。根据实测，每提高极距10mm,引起电压降增加400mV(旁插棒槽)或350mV(预焙槽)。因此在工业生产上宜在取得高电流效率的情况下，保持尽可能低的极距，以便减少单位铝产量的电能消耗量。本设计取极距为4.0cm。表2-1铝电解槽基本尺寸槽壳外形尺寸(mm)12770×4910×1405槽膛尺寸(mm)12210×4350槽膛深度(mm)阳极组数(组)阳极炭块尺寸(mm)1550×660×550阴极炭块尺寸(mm)3250×515×450阴极炭块组数(组)阳极导杆尺寸(mm)2278×130×130阴极棒尺寸(mm)4300×180×65母线规格(mm)550×2003.4铝电解槽的电压平衡计算电解槽电压平衡计算设计由下述已知条件计算中间下料预焙阳极电解槽的电压分配电流：240KA;槽膛：12770×550mm×4350mm;电解质温度：950℃;极距：4.0cm;分子比取：2.2。槽电压是阳极母线至阴极母线之间的电压降，它由与电解槽并联的直流电压表来指示。槽电压的数据包括电解槽的极化电压和各部分导电体的电压降值。电解槽内有两类导电体，第一类导体包括铝，铜，炭；第二类导体是冰晶石—氧化铝熔融电解质。在工业生产上，为了核算电解槽的电能消耗量，通常需要计算电解槽的平均电压。平均电压一般是指下列各项的总和：(1)槽电压(槽上电压表读数)的平均值；(2)发生阳极效应的电压分摊值；(3)槽上电压表测得范围以外的系列线路电压降的分摊值。具体包括极化电动势、阳极电压降、阴极电压降、电解质电压降、母线电压降、阳极效应均摊电压。极化电动势是指在实际电解情况下，两极的不平衡电位之差。它由如下三部分组成：式中：E°分解———按铝电解一次反应所求得的理论分解电压Vn阳极———阳极过电压Vn阴极———阴极过电压VE°分解随温度(T)的变化是：E°分解=1.896-5.725×10⁴T(V)E°分解=1.196Vn阳极，这是过电压中占有分量最大的部分，式中i——阳极电流密度A/cm²i°——反应极限电流密度，在Al₂0₃浓度在2～8%(质量)时，i⁰=0.0039～0.0085,此处取i°=0.008A/cm²CR———电解质的NaF/AlF₃摩尔比2.2,im———阴极电流密度，im=300000/433758=0.6916A/cm²=76.5mV3.4.2电解质电压降一般可由下式取得阳：为阳极水平截面积(cm²);△L:为极距改变值(cm);X:为电解质导电率(欧¹·厘米¹),由电解质的分子比和电导率的关系知，分子比为2.2时，电导率为1.798(欧¹·厘米');K:为校正值，一般取8。则有V质=1.51V对于预备阳极电解槽，阳极压降包括阳极导杆与阳极母线接点压降，阳极导杆压降，钢爪压降，铝钢爆炸过度接头电压降，钢爪与阴极炭块接点 (Fe—C)电压降，现依据经验值取如下数值：夹具压接压降：6mv;铝导杆压降：10mv;铝-钢爆炸焊片压降：15mv;钢牙压降：50mv;钢炭接触压降：70mv;阳极炭块压降：200mv;则Vm=0.351V。3.4.4阴极电压降阴极电压降也称槽底电压降。它约占整个电解槽电压的10～15%,槽底电压降主要是受阴极结构的影响，主要包括铝液—槽底接触点压降，槽底炭块本身电压降，炭块—阴极棒接点压降，阴极棒上电压降。阴极电压降分项计算，比较复杂，这里采用模拟经验式“”]。式中L导———炭块中的电流导程cmp———炭块电阻系数0.0045Ω·cmA———槽膛宽度的一半4350/2=2175mmS———浇铸时阴极钢棒截面积(65+20)(180+20)=17000mm²α———侧部结壳尺寸，取150mmB———炭块宽度与炭缝之和515+40=555mmD阳———阳极电流密度，为0.733A/mm²电流通过阴极炭块路径的长度L导按下式计算：L导=2.5+0.92H-1.1h+132/b式中H———阴极炭块高度450mmh———阴极棒截面宽度9.5cmb———阴极棒截面长度21cm故L导=2.5+0.92H-1.1h+132/b=2.5+0.92×45-1.1×9.5+132/21=39.7cm将选择与求得的值代入公式中，得到槽底电压降：=0.463V3.4.5铝母线电压降、阳极效应均摊电压降铝母线包括阴极母线和阳极母线压降，取0.167V式中V₁———阳极效应时的槽上电压V₁=30V0.3次/天V———平均槽电压VK———效应系数次/天0.3次/天t———效应持续时间3minV平均=1.7055+1.50+0.351+0.463+0.167+0.0163=4.20V则电解槽平衡电压表如表2-2所示。表2-2电压平衡(V)240KA预焙槽E极化V质V阳V阴V效应均捕母线电压总计4物料平衡计算物料平衡的计算原理，是根据电解槽物料的进入量和出来量相等的原理计算181。4.1铝产量以1h为计算基础，取平均电流强度为240KA,取平均电流效率为94%,计算单槽产量：=0.3356×240000×0.94×10³=75.71Kg/(槽·h)根据化学反应式Al₂O₃→Al+3/20₂计算理论消耗量(按每吨铝计算)Al₂O₃消耗量=102×1000/27×2=1888.89Kg/TAl4.3实际消耗量在实际生产中由于运输、机械、飞溅等损失，实际消耗要大于理论值的1.5-6.0%。A1₂0₃实际消耗量取：1930Kg/TAlAl₂0₃理论每小时单耗为：1888.89×75.71×10³=143Kg/槽·h;A12O₃实际每小时单耗为：1930×75.71×10³=146.12Kg/槽·h;A1₂0₃损失量为：146.12-143=3.12Kg/槽·h。4.4氟化盐的消耗量取每吨铝冰晶石单耗量为：5kg/TAl;氟化铝单耗为：25kg/TAl;氟化镁单耗量：5kg/TAl;氟化钙单耗为：4kg/TAl。则冰晶石消耗量为：5×75.71×10³=0.379/槽·h;氟化铝消耗量为：25×75.71×10³=1.893kg/槽·h;氟化镁消耗量为：5×75.71×10³=0.379kg/槽·h;氟化钙消耗量为：4×75.71×10³=0.303kg/槽·h4.5阳极炭块的消耗根据反应方程式A1₂O₃+3/2C→2A1+3/2CO,计算理论碳耗量：18×1000/27×2=333.33kg/TAL由于阳极副反应，实际生产中生成的气体是CO₂和CO的混合物，其中CO₂A1₂O₃+12/7C→2A1+9/7CO₂+3/7CO生产CO₂为：(9/7×44×75.71)/54=79.85kg/槽·h;生产CO为：(3/7×28×75.71)/54=16.82kg/槽·h。由于机械等原因，阳极碳块的实际消耗量比理论值多18%～20%,根据国内外生产实践，从优化设计的角度考虑，取每吨铝实际碳耗为：实际单槽每小时碳耗为：420×75.71×10³=31.80kg/槽·h碳损失为：31.80-28.84=2.96kg/槽·h4.6物料平衡列表根据上述计算结果编制物料平衡表如表3-1所示。表3-1物料平衡表收入支出氧化铝原铝冰晶石冰晶石氟化铝氟化铝氟化镁氟化镁氟化钙氟化钙阳极炭块炭损失量CO₂生成量CO生成量氧化铝损失量合计合计5电解铝热量平衡计算以1小时为计算基础，取电解温度为950℃,在计算中以电解温度作为能量平衡的温度基准，并以电解槽整体作为计算体系：5.1电能收入5.2.1补偿电解反应所需的能量当电解生产的电流效率为100%时，其补偿反应热效应的能量是5.63kwh/kgAl,但电流效率不可能达到100%,因此，考虑到电流效率的电解反应公式是：A1₂0₃+3/2nC=2A1+3(2n-1)/2nCO₂+3(1-n)/nco²a.根据热力学第一定律，反应效应△H-b.△H°=[错误!未找到引用源。(2-错误!未找到引用源。)(△H°)cog+3(错千焦换算成瓦时的换算系数；错误!未找到引用源。因此，在单位时间内，铝的产量为0.3355Inkg时，则补偿电解反应的热效应的能量A反：在电解反应中，生成2molAl(54kg)就需要1mol的Al₂O₃与的碳，于母线损失的能量：A=240×0.18=43.2kw电解槽损失的能量：A损=1008-43.2-433.17-52.85=478.78kw能量收入Kwh/h占比%能量支出Kwh/h占比%A电A材A反A母A损总计总计6电解铝车间设计系列电解槽分设在两座电解厂房内，电解车间占地如下计算：由于电解槽外形尺寸12770×4910及相关参考文献，电解车间铝电解槽按单行横向排列，将165台