400kA预焙槽铝电解车间设计.doc

400kA预焙槽铝电解车间设计摘 要大型化是当今世界铝电解技术发展的大趋势。在现有的320kA350kA大型铝电解槽基础上，进一步开发并建设高效、稳定和更为节能的400kA大型铝电解槽技术是当今世界各大铝业公司研究和追求的目标。并且我国已经有多家铝电解企业已经建成400kA级铝电解生产线。我们紧随时代步伐，设计了400kA预焙槽铝电解车间。车间设计包括厂址选择、电解槽设计、电压平衡、能量平衡劳动定员及成本核算等。该设计的年产量为22万吨，电流效率高达94%。经过多方论证厂址选择伊川县工业园区。关键词：铝电解槽，物料平衡，能量平衡，电压平衡，车间设计 The Design of 400kA Pre-baked Anode Aluminum Reduction Plant ABSTRACTLarge-scale is the general trend of aluminium electrolysis technological development in the world nowadaysDeveloping more efficient，more stable and more energy-saving 400kA aluminium reduction cell technology，based on the existing 320kA350kA aluminium reduction cell，is the goal studied and chased by worldwide major aluminium companiesAnd there are a few aluminum electrolysis enterprises that have built 400kA grade aluminum electrolytic production lineFollowing the pace of times，we complete the design of the 400kA pre-baked aluminum electrolysis workshopThe designs include site-selection， designs of electrolyzers，voltage balance, energy balance，labor quota and cost accounting and so onYield of the design reaches to the annual output of 220000 tons，and the current efficiency as high as 94%After many discussions，we decide to choose Yichuan County Industrial Park as the site KEY WORDS：aluminum reduction cell，material balance， energy balance，voltage balance，the design of workshop目 录前 言1第一章 铝电解简介31.1 铝的性质及用途31.1.1 铝的性质31.1.2 铝的用途31.2 铝电解简史及发展现状41.2.1 铝电解简史41.2.2我国铝电解技术发展现状61.2.3 世界铝电解工业技术现状71.3 铝电解用原料与原材料91.3.1 铝电解原料氧化铝91.3.2 铝电解熔剂氟化盐101.3.3 铝电解预焙阳极炭块111.4 铝电解过程描述121.5 铝电解槽与电解槽系列131.5.1 阴极装置131.5.2 阳极装置131.5.3 母线装置141.5.4 使用寿命15第二章 厂址选择与论证162.1. 电力供应162.2. 运输系统162.3. 外围服务172.4. 环境和土地17第三章 技术经济183.1 主要技术经济指标的选择论证183.2 综合经济技术指标的计算193.3 主要经济技术指标的确定与列表21第四章 物料平衡234.1 物料平衡的计算234.2 物料平衡列表24第五章 电解槽结构的设计265.1 概述265.2 阳极结构265.3 阴极结构275.3.1 槽壳275.3.2 内衬及保温绝热结构285.4 母线结构295.4.1. 阳极母线295.4.2. 阴极母线315.4.3 短路母线32第六章 电压平衡336.1 实际分解电压336.2 电解质电压336.3 阳极电压降346.3.1 阳极大母线电压降346.3.2 阳极软母线电压降346.3.3 阳极立柱母线电压降356.4 阴极电压降366.4.1 槽底电压降366.4.2 阴极软母线电压降376.4.3槽周阴极母线电压降376.4.4 焊点压降376.5 阳极效应分摊电压降376.6 连接母线压降38第七章 能量平衡407.1 计算方法与基础条件407.2能量平衡计算407.2.1热量输入计算407.2.2 热量支出计算417.3 能量平衡列表51第八章 劳动定员及成本核算538.1 劳动定员538.2 成本核算53第九章 环境保护和安全生产559.1 环境与卫生559.2 安全生产55结 论57参考文献58致 谢5960前 言自上世纪80年代以来，我国电解铝技术取得了很大的发展，尤其在大型预焙铝电解槽的设计技术、制造技术、生产技术等领域形成了自己的大型铝电解技术体系，开发成功了300kA400kA大型铝电解槽。先进的300kA350kA大型预焙槽及其配套技术得到了广泛应用，从而减少了能量消耗和环境污染，但与国外先进电解槽相比较，我国电解槽在设计、制作、电解槽单位面积产铝量及吨铝直流电耗等方面还存在一定差距1。我国自主研发的400kA级大型预焙阳极铝电解槽技术，于08年由中国铝业兰州分公司、沈阳铝镁设计研究院研制开发获得成功。并与2008年3月21日通过了由中国有色金属工业协会组织的科学技术成果鉴定。现安装于中国铝业兰州分公司SY400电解槽2，技术指标先进，同比350kA，300kA电解槽具备投资省，经济效益高的特点，能够满足建设技术起点高、装备先进、大规模的铝电解系列，单系列产能超过320kt/a以上，为中国铝工业的国际化奠定坚实的基础。同时SY400电解技术具备是世界领先水平的电解技术，是当前世界系列生产电流强度最大，单槽产量最大，综合指标最先进并具有自主知识产权的铝电解槽。与之前的300kA和350kA级的电解槽相比，400kA级大型预焙阳极铝电解槽技术具有以下创新点：1、优化设计了合理的母线配置，提高了大型槽磁流体稳定性；2、采用5段上烟道结构设计，有利于提高集气效率和改善环境；3、采用电解厂房通风和电解槽整体热平衡相结合、摇篮架与槽壳整体焊接、槽壳外部焊接散热片、电解槽小面采用摇篮架与槽壳焊接、电解槽槽壳和内衬整体位于操作面下等技术，保证了大型电解槽的热稳定性，改善了劳动环境；4、采用阴极炭块与阳极炭块投影相对应的技术，有利于阳极和阴极的电流分布均匀；5、采用了电解槽全面控制和标准化操作体系，有效控制电解槽热平衡与物料平衡，开发了适应大型槽稳定、安全的焙烧启动技术，形成了400kA电解槽生产操作管理技术；6、采用四种不同品质阴极炭块进行工业试验，均达到了400kA电解槽试验目标。使用30%石墨质阴极炭块的电解槽，阳极电流密度也达到了0.82A/cm2，石墨化阴极炭块的电解槽还有进一步提高电流强度的潜力。400kA大型预焙阳极电解槽技术的研制开发成功，为我国参与国际竞争，提供容量更大、技术更先进的电解槽技术打下了良好的基础3。400kA级铝电解车间设计，是适应了我国铝电解行业的发展现状及十二五规划总体要求：淘汰100千安及以下电解铝预焙槽，确立绿色发展的理念，提升工业节能发展水平，推广新型阴极结构铝电解槽、新型导流结构铝电解槽、高阳极电流密度超大型铝电解槽，到2015年，新型结构铝电解槽普及率将达到80%以上4。本设计具有投资省、容量大、经济效益高的特点，单槽年产铝量可增加100多吨，并且有利于提高集气效率和改善环境。同时，采用电解槽全面控制和标准化操作体系，有效控制了电解槽平衡与物料平衡，还采用一套适应大型电解槽稳定、安全的焙烧技术，形成了一套与大型电解槽配套的生产操作管理技术。当前国内外大部分铝电解厂采用300kA级电解槽，本设计采用400kA大型铝电解槽，不仅适应了电解槽发展的大型化，而且引领着世界铝电解行业发展方向，为我国铝电解走国际化路线奠定了基础。 第一章 铝电解简介1.1 铝的性质及用途1.1.1 铝的性质铝是一种银白色的轻金属，位列元素周期表第三周期A族，原子序数13，原子量26.9814，其主要特性如下：(1)熔点低，铝的熔点与纯度有密切关系，纯度99.996%的铝熔点为660。(2)沸点高，液态铝的蒸气压不高，沸点为2467。(3)密度小，铝的密度只有钢的1/3，常温下工业纯铝的密度为2.702.71g/cm3，随温度升高，铝的密度随之降低，在950时铝液的密度为2.303 g/cm3。(4)电阻率小，纯度为99%99.5%的铝电阻率为(2.802.85)10-8m，在常用金属中铝的导电性仅次于银和铜居第三位。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均随温度降低而减小，靠近0 K时，铝的电阻率接近零。(5)铝具有良好的导热能力，铝的导热性能差不多是不锈钢的十倍，在20时, 铝的热导率为2.1 W/(cm)。(6)铝具有良好的反光性能，特别是对于波长为0.212m的光线。(7)铝没有磁性，不产生附加的磁场，所以在精密仪器中不会起干扰作用。(8)铝易于加工，可用一般的方法把铝切割、焊接或黏接，铝易于压延和拉丝。铝的再生利用率高，易与多种金属构成合金。(9)铝具有良好的防腐蚀性，铝表面在空气中和氧易结合成一层牢固的氧化铝薄膜，这层氧化铝薄膜是连续的、无孔的，阻止了铝的进一步氧化，提高了铝的抗氧化和抗腐蚀能力。(10)铝没有毒性，可以用作食品包装。(11)铝再生循环利用率高，是一种节能储能绿色环保型金属。1.1.2 铝的用途由于铝具有质轻、良好的导热性和导电性、可加工性以及构成高强度、耐腐蚀性的合金和可再生循环利用等优良的性能，因而铝成为有色金属中应用最广泛的金属，是仅次于钢铁的第二大金属。铝工业现在是世界上最大的电化学冶金工业，铝的产量在金属中仅次于钢铁，居有色金属之首。它的应用主要表现在下面几个方面。(1)轻型结构材料因铝及其合金质轻，机械性能好，易加工，所以已成为当今制造各种交通运输工具的不可缺少的结构材料。近年来汽车工业用材料要求向体形小、 质量轻的方向发展，所以用铝量不断增加。每千克铝材可代替2.2 kg钢材，这样就大大减轻了车体的质量，这对节约燃料是非常有利的。另外，火车车厢、轮船船体等也都采用大量的铝材。此外，国防工业、宇宙航空航天工业的用铝量也在日益增长。(2)建筑工业材料铝材已在建筑方面得到广泛的应用。它的应用主要是用铝合金型材制作房屋的结构架和门窗柜橱一类的设施，以此代木，经久耐用，美观大方。(3)电气工业材料因铝质轻，导电又好，所以铝在电力输配、器件制造等方面已成为制造电线、电缆、电容器、整流器、母线以及无线电器材的主要材料。(4)耐腐蚀材料由于铝表面有一层很坚硬、致密的氧化铝薄膜，所以它有很好的耐腐蚀性。在化学工业上常用铝及其合金制造各种反应器、储槽和管道等。(5)食品包装材料因铝是无毒性的金属材料，所以在食品包装方面也得到了广泛应用。目前以大型的仓库储槽、容缸到小型的食品罐头盒子及零用包装铝箔都有铝的应用。同时，它还是人们日常生活中常用炊具和一些装饰品的主要原材料。1.2铝电解简史及发展现状 1.2.1 铝电解简史铝在地壳中的含量高达8%，几乎占地壳中全部金属总量的三分之一。金属铝最初用化学法制取。1825年丹麦化学家奥斯特（H.C.Oersted）用钾汞齐还原无水氯化铝，得到一种灰色的金属粉末，在研磨石呈现金属光泽，这是人类首次得到金属铝。1854年，法国德维尔(Deville) 用钠代替钾还原NaCl-AlCl3配合盐，制取金属铝。1855年，在巴黎附近建成了世界上第一座炼铝厂。1865年, 俄国别开托夫()提议用镁还原冰晶石来生产铝。这一方案后来在德国 Gmelingen 铝镁工厂里被采用。在采用化学法炼铝期间，1854年德国本生(Bunsen)和法国德维尔(Deville)继英国戴维(Davy)之后研究电解法炼铝，试验了各种以冰晶石为基础的混合熔盐与氧化铝的电解法。但那时的试验是用蓄电池作为电源，不能获得较大的电流，而且价格很贵，因此电解法不能做工业性的试验。直到1867年发明了发电机，并在1880年加以改进之后，实现了三相交流输电，这才给实现工业性的电解法炼铝提供了前提条件。1883 年，美国Bradley提出利用氧化铝可溶于熔融冰晶石的特性来电解冰晶石-氧化铝熔盐的方案，但未获得专利。1886年美国霍尔(Hall)和法国埃鲁(Heroult)通过实验不约而同地申请了冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝的专利，获得批准。这就是历来所称的Hall- Heroult(霍尔-埃鲁)法，简称H-H法。电解法原理就是将氧化铝溶解在熔融的冰晶石电解质中，通入直流电，进行电化学反应得到金属铝。1888年，美国匹兹堡电解厂开始用冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝。瑞士冶炼公司也在同时采用该法炼铝。与化学法相比，电解法成本比较低，而且产品质量好，故沿用至今。电解法早期采用小型预焙电解槽，1923年侧插阳极棒自焙阳极电解槽发明后，电解槽的电解容量增大，生产指标随之好转，促进了铝工业的发展，1952年上插阳极棒连续自焙阳极电解槽系列投产并取得良好的生产指标。1954年我国抚顺铝厂投产，采用当时前苏联设计的60 kA侧插阳极棒自焙阳极电解槽，年产铝2.5万t。现代铝电解槽正向大型化发展，电解槽由20世纪70年代的10万A发展到现在的35万50万A，随着计算机技术在电解槽上的应用，各项经济技术指标大大提高。目前，法国有6台电流强度达500kA的电解槽在进行工业应用试验。我国第一个500kA系列的288台电解槽于2011年在甘肃连城建成、投产。除此法外，世界各国科学家也一直在研究许多的炼铝新方法，如：电热法炼铝、氯化铝电解法、矿石直接炼铝法、高炉炼铝法、锰还原法、惰性阳极和可湿润阴极电解槽等。这些新工艺新方法有待进一步的研究完善和工业性的试验。1.2.2我国铝电解技术发展现状许多突出的技术问题，与我国铝电解技术自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，揭开了我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、大型铝电解槽开发以及工程应用取得了一系列成果，开发成功了280、320kA以上的特大型电解槽技术，使铝工业的技术进步令人注目。大容量电解槽的开发，使我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。然而由于我们在跟踪国际电解铝技术发展过程中实现了跨越式发展这一特点，大型槽技术尚未经过生产过程的逐步完善的过程，在生产实用技术领域缺乏应有的技术积累和支撑，因此仍存在国际水平仍有较大差距5。 实际运行指标差。由于开发时间短，对我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。多数在大负荷、小电网环境下运行，安全隐患多。铝电联营是我国电解铝企业发展的趋势之一，但同时在技术上也存在相应的问题。由于大容量电解槽一般系列规模较大(一个系列产能可达20万吨以上)，巨大的用电负荷集中在一个生产系列上(一般达40万kW以上)，电解系列生产的任何波动都会造成电网或自备电厂较大的影响，甚至威胁供电安全。缺乏建立在对阴极破损机理与规律透彻掌握基础上的“精细设计”技术和提高槽寿命的综合技术措施，电解槽难以达到设计寿命，早期破损率高。影响我国大型槽槽寿命的问题除了我国普遍认为的阴极炭素材料质量方面的原因外，电解槽的设计、筑炉材料、筑炉质量、焙烧启动、正常生产操作及生产管理等方面均存在一些问题。导致这些问题的深层次原因是，我国尚缺乏对铝电解槽破损(常称为阴极破损)机理与规律的深入掌握及在此基础上的“精细设计”技术和提高槽寿命的综合技术措施。随着电解槽容量的不断扩大，槽寿命问题就更加突出。缺乏先进的生产操作技术，作业成本高。我国300kA级的特大型预焙铝电解槽投入工业应用的时间短，又不能完全照搬以前在大型预焙槽上的相关经验(这些经验也有很大局限性)。焙烧启动过程中电流分布不均的问题更突出且焙烧启动过程中的能耗大；投入运行后电解槽的物理场(电场、磁场、流场)容易波动，热平衡的维持较困难；槽电阻极易受外界的干扰而波动，阳极效应发生后熄灭困难，且由于电解槽的惯性大，一旦出现槽况波动或槽况异常现象，很难快速恢复正常。总的来说，目前就我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300800kwh；电解铝用阳极生产过程能耗相差30kg/t左右；吨电解铝阳极消耗相差30-60kg(折合标准煤约75150kg)；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，我国目前最好水平在0.3次/天槽左右。1.2.3 世界铝电解工业技术现状目前，电解铝工业仍以改善和提高霍尔-埃鲁法电解槽技术水平为主，着力于节能减排，降低能耗、物耗和原铝成本，在从源头上就减少气固废物料污染的同时，加强废物料废铝的无害化和资源化处理，实现资源再生和循环利用，进一步提高产品质量和扩大产品种类。现代化预焙电解槽的电流强度继续向超大型化发展。继法国AP18和AP30型电解槽技术后，AP50技术6已问世。最近，俄罗斯铝业启动了电流强度为400 kA的RA400槽型电解槽系列两条。该系列是在原300 kA电解槽技术基础上开发的第二代超大型电解槽，该槽日产量3t，电流效率94%，电耗13800 kWh/t，减少33%污染物。目前正在开发450500kA电解槽,预计将开展RA500电解槽试验。600740 kA超大容量电解槽也在开发研究中。国外大容量(300 kA以上)电解槽阳极电流密度为0.82A/cm以上，主要经济技术指标：电流效率93%95%，直流电耗1300013500 kWh/t(Al)；最先进的技术指标电流效率可达96%，电耗略低于13000 kWh/t(Al)。法国彼斯涅AP系列电解技术被公认为代表当今国际领先水平。其具有如下几个特点6：(1)阳极电流密度较高，可达0.82A/cm以上，单位阴极面积产能大。(2)槽电压和电解稳定性均较高,电解质过热度都较低，不超过10，槽膛内形中炉帮和伸腿的固相结壳厚度稳定合理，因此电流效率高，可达95%96%，电耗可低到13000kWh/t(Al)，槽寿命达2000天。(3)分子比、氧化铝和阳极效应系数低，说明其设计操作和控制技术水平高。国外铝电解的数学模型、传感器、控制和新材料等功能化技术水平较高。采用的物理场数学模型精确有效，电解槽结构设计质量高，槽电解运行稳定性好，电流效率可达95%96%。应用了半连续传感器实时在线检测控制温度、过热度、分子比、熔体高度和氧化铝浓度。控制水平先进，控制效应系数向零目标发展。在高电流密度、高槽电压、高电解温度条件下，通过槽电压、分子比和过热度的软件程序控制技术，实现电解槽的能量平衡、物料平衡和液固相平衡，即过热度和炉帮伸腿构成的固相电解质槽膛内型稳定合理。这样不仅电流效率高、炭耗低，而且电解槽寿命长。开发应用抗熔体渗透的槽衬耐火材料、热电偶套管、优质炭素阴阳极、可湿润阴极和惰性阳极等新型材料。优化电解质组成，降低电解质电压降和提高电流效率。对铝电解产生的废渣、废槽衬等废物料实行有价成分再生回收并循环利用，或对其做无害化处理，减轻铝电解工业废物对环境污染。美国铝电解工业总排氟量达到0.7 kg/t(Al)水平。为了大幅度提高电解法能量效率和减少二氧化碳排放量，国外开展力求降低阴阳极之间电压降的工业试验，采用炭阳极开沟槽、TiB2可湿润阴极、惰性阳极、导流式或双极多室式新型结构电解槽7等新工艺新技术新材料新设备。对于可望替代现有霍尔-埃鲁特电解法的一些炼铝新工艺方法，如炭热还原法、氯化铝双极多室电解法等长远课题还在继续进行研究。1.3铝电解用原料与原材料 铝电解生产所需用的原材料大致分三类：原料氧化铝；熔剂氟化盐(包括冰晶石、氟化铝、氟化钠、氟化镁、氟化钙和氟化锂等)；预焙阳极炭块或炭糊。1.3.1 铝电解原料氧化铝氧化铝是当前冰晶石-氧化铝熔盐电解法的唯一原料，是由矿石中提炼出来的有一定粒度要求的白色粉料，流动性很好，不溶于水，能溶解在熔融的冰晶石中，熔点2050，真密度3.53.6 g/cm3，体积密度1.0 g/cm3。氧化铝有7种晶型，最常见的是-Al2O3，又称刚玉型氧化铝。它主要是不断的补充电解质中的铝氧氟配合离子，使其保持一定范围的浓度，以保证电解的持续进行。为了取得良好的生产指标，对氧化铝的要求是非常严格的，主要体现在化学纯度和物理性能上。(1)化学纯度工业氧化铝通常含有98.5%的氧化铝以及二氧化硅、三氧化二铁、二氧化钛、氧化钠、氧化钙和水等少量杂质。在电解过程中，那些电位比铝正的元素的氧化物杂质，如二氧化硅、三氧化二铁都会优先还原，还原出来的 Si 和 Fe等杂质进入铝内，从而使铝的品位降低，且降低电流效率；而那些电位比铝负的元素的氧化物杂质，如氧化钠、氧化钙会分解冰晶石，使电解质组成发生改变并增加氟盐消耗量。水分会分解冰晶石，不仅产生氟化氢气体，还会增加铝液中的氢含量。P2O5等高价氧化物杂质则会降低电流效率。所以铝工业对于氧化铝的纯度提出了严格的要求。(2)物理性能工业氧化铝的物理性能，对于保证电解过程正常进行和提高气体净化效率，关系很大。一般要求它具有较小的吸水性，能够较多较快地溶解在熔融冰晶石里，粒度适宜、飞扬损失少，并且能够严密地覆盖在阳极炭块上，当氧化铝覆盖在电解质结壳上时，可起良好的保温作用。在气体净化中，要求它具有较好的活性和足够的比表面积，从而能够有效地吸收氟化氢气体。另外，氧化铝要有良好的流动性。这些物理性能取决于氧化铝晶体的晶型、形状和粒度。按照氧化铝的物理特性，可将其分成砂型、中间型和粉型三种。砂型氧化铝呈球状，颗粒较粗，安息角小，只有3035，其中 -Al2O3含量少于10%15%，-Al2O3含量较高，具有较大的活性，适于在干法净化中用来吸附 HF 气体，在半连续下料的电解槽上载氟氧化铝可用作原料，故砂型氧化铝得到广泛应用。粉型氧化铝呈片状和羽毛状，颗粒较细，安息角大，为45，其中-Al2O3含量达到80%。中间型氧化铝介乎两者之间。生产每吨铝所需的Al2O3量，从理论上计算等于1889 kg。实际上由于工业氧化铝中大约含有Al2O3 98.5%，以及在运输和加料过程中有飞扬和机械损失，所以生产每吨铝所需的工业氧化铝量是19201940 kg。1.3.2 铝电解熔剂氟化盐铝电解熔剂包括冰晶石、氟化铝、氟化钠、氟化镁、氟化钙、氟化锂等，氧化铝可溶于由冰晶石和其他几种氟化物组成的熔剂中，构成氟盐-氧化铝熔液。(1)冰晶石冰晶石分天然和人造两种。天然冰晶石产于格陵兰岛，无色或雪白色，密度为2.95 g/cm3，熔点1009.2，在自然界中贮量有限。因此现代铝工业则使用合成的人造冰晶石，为灰白色的粉末，易黏于手，不溶于水，熔点为10122。冰晶石的分子式为Na3AlF6，或写成3NaFAlF3。氟化钠与氟化铝的摩尔比称为冰晶石的分子比，分子比为3时称为中性，分子比大于3时称为碱性，小于3时称为酸性，一般人造冰晶石的分子比为1.62.2。冰晶石是熔剂的主要成分，它的作用第一是能较好的溶解氧化铝，并且所构成的熔体可在纯冰晶石熔点以下进行电解；第二在电解温度下，冰晶石熔液的密度比铝液密度要小10%，故电解出来的铝液能沉积在槽底上面；第三冰晶石具有良好的导电性。目前，冰晶石是铝电解生产中最理想的一种熔剂。从理论上讲冰晶石在电解过程中是不消耗的，但实际上由于冰晶石中的氟化铝被带进电解液中的水分分解，或自身挥发，氟化钠被电解槽内衬吸收以及操作时的机械损失等原因，故冰晶石在生产过程中是有一定损耗的，在正常情况下大约每生产1 t铝需耗冰晶石510 kg。(2)氟化铝氟化铝(AlF3)是一种白色的细微粉末，属菱形六面体结构，其颗粒比氧化铝稍大, 流动性次之，它是冰晶石-氧化铝熔液的一种添加剂。它既可以弥补电解质中氟化铝的损失，又可以调整电解质的分子比，以保证生产技术条件的稳定，其单耗为2030 kg/t(Al)。因氟化铝用量也较大，它没有熔化温度，只有升华温度，沸点为183，易挥发和飞扬，故在向槽内添加时应注意操作方法。(3)氟化钠氟化钠(NaF)是一种白色粉末，易溶于水，同样是电解质的一种添加剂，但它多用于电解槽的预热或开动初期，因为在这个时期，新槽的炭素内衬对氟化钠有选择性的吸收，使电解质的分子比急剧下降，同时装新槽所用冰晶石的分子比又较低，而生产条件又要求分子比要高，以便提高炉温，所以装炉和开动初期，要加一定量的氟化钠。但在多数工厂用碳酸钠代替氟化钠，这样更加经济。(4)氟化钙氟化钙(CaF2)也是电解质的一种添加剂，属于面心立方结构，熔点1423。新槽启动时多添加氟化钙，它的作用主要是对炉帮的形成有好处，可使炉帮比较坚固，同时也可降低电解质的初晶温度，从而降低电解温度。氟化钙的含量在生产过程中随电解质的损失而减少，但在生产中并不添加氟化钙，这是因为原料氧化铝中含有少量的氧化钙，氧化钙与电解质中的氟化铝反应可生成氟化钙，所以它可自行补充累积。(5)氟化镁氟化镁(MgF2)和氟化钙的作用基本相似，对炉帮形成起矿化剂作用，但在降低电解质温度，改善电解质性质，分离炭渣，提高电流效率和电解质导电率方面比氟化钙的作用更为明显，实践证明这是一种较好的添加剂。(6)氟化锂氟化锂或者碳酸锂，对降低电解温度和提高电解质导电率有显著效果，是提高电流效率和降低电耗的一种良好的添加剂，应当推广应用。1.3.3 铝电解预焙阳极炭块在冰晶石-氧化铝熔盐电解生产中，作为导电的阴阳极的各种材料，既能良好导电，又能耐高温、抗腐蚀，同时价格低廉的目前只有炭素材料，因此铝工业生产都采用炭素材料作阴阳极和各种炭糊。预焙阳极炭块是利用一定粒度、配比的石油焦和残极，与一定比例的煤沥青(黏结剂)，经过混捏、成型、焙烧而成的阳极炭块。其用途是做预焙电解槽的阳极。采用预焙阳极的好处是避免了自焙阳极在电解过程中有沥青烟和其他有害气体的散发，同时使用预焙阳极后槽电压降低，更有利于电解槽大型化和自动化控制。预焙阳极净耗大约每吨铝400450 kg，毛耗(包括残极)为500550 kg。因预焙阳极的消耗使得其中的杂质被还原后以硅、铁、钛、钒等元素杂质进入到铝液中，故对预焙阳极的理化指标要求严格，在化学成分上要求灰分越低越好，尤其是对硅、铁、镍、钒、钠、硫等的控制，在物理性能上要求比电阻和气孔率要小。1.4 铝电解过程描述 现代铝电解生产主要采取冰晶石-氧化铝熔盐电解法，采用炭素阳极和炭素阴极。直流电流通入电解槽，在阴极和阳极上起电化学反应。电解产物在阴极上是铝液，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%Al。阳极气体中含有70%80% CO2和20%30%CO，还含有少量氟化物和SO2等气固混合物，经过净化之后，废气排放入大气，收回的固体氟化物返回电解槽5。现代铝电解槽系列配置如图1-1所示。图1-1 铝电解槽系列配置图为了减少铝工业温室气体的排放，全球铝工业也致力于研制惰性阳极和惰性阴极等铅电解新工艺，一旦成功，将在节能减排上取得新进展。1.5 铝电解槽与电解槽系列工业铝电解槽的基本结构主要包括阴极装置、阳极装置、母线装置和气体回收装置等8。1.5.1 阴极装置 由槽壳、阴极碳块、侧部碳块、耐火砖和保温材料组成。通常采用长方形槽壳，槽壳型式有框架式、臂撑式和摇篮式三种。槽壳用型钢和钢板焊成。铝电解槽的槽膛深度一般为450600mm。槽膛底部是一层阴极碳块，其下面依次是炭素垫、耐火砖层和保温砖层，有的用氧化铝或其他保温材料取代保温砖层或部分保温砖层。阴极碳块以碳块组型式砌筑于电解槽内。阴极碳块组由阴极碳块同埋设其中的导电钢棒(阴极棒)组成。阴极棒与碳块之间浇铸磷生铁或用碳糊捣固。阴极碳块组在槽壳内排成两行，碳块组与碳块组间用碳糊捣固或用碳糊浆液灌注。但纵向中缝一般要用碳糊捣固。有些电解槽为提高炉底导电性和减去纵向中缝，特意采用通长阴极碳块，其中放置一根通长阴极棒。阴极棒通过槽壳侧壁上的洞口(窗口)伸出槽壳，其末端与阴极母线连接。槽膛侧壁有一层或两层阴极碳块。侧部碳块与槽壳之间用一层耐火砖或颗粒状耐火材料填充。近年来，大型铝电解槽，特别是中部加料预焙阳极铝电解槽的侧部保温层有所减薄，以利于凝结固体电解质作为保护层。有的电解槽还在侧部碳块下部用碳糊捣固成斜坡状，构成人造伸腿，用来保护侧部碳块并收缩铝液镜面。1.5.2 阳极装置视槽型而异，有三种形式。(1)侧插棒自焙阳极铝电解槽的阳极装置。由阳极框架、碳阳极糊、阳极导电棒、氧化铝料仓及阳极升降机构组成。阳极框架由钢板和型钢焊接而成。框架内周为厚1mm左右的铝板(铝壳)，中间填充阳极糊，阳极棒从阳极框架外部与水平方向成15角度插入阳极糊内。阳极棒作为导电体及悬挂阳极用。阳极棒一般有4排，排向距离200mm，其中下面的两排棒通电，上面的两排作为后备。随着阳极消耗，取出最下面的一排阳极棒，在上方插入一排新的阳极棒。阳极棒用铜质导电片来与阳极大母线联接。阳极框架借助滑轮组或螺旋机构悬吊在电解槽的上部金属结构上，因此阳极可以上下升降。(2)上插棒自焙阳极铝电解槽的阳极装置。由阳极框套、阳极糊和组合阳极棒及阳极升降机构组成。阳极框套由钢板和型钢焊接而成，框套内填充阳极糊。阳极钢棒为组合式，它由钢质导电棒与上端的铝导杆联接而成，一般采用爆炸焊接。钢质导电棒由上部垂直插入阳极糊内，分4排插入，高度分若干层次。组合阳极棒用夹具直接连接到阳极母线上。阳极有两套提升机构。随着阳极的消耗，用主升降机构降低阳极母线大梁，亦即阳极本身的高度。与此同时靠辅助升降机构以精确的相等速度提升阳极框套的位置，其结果是阳极框套的位置移动等于零，它相对于槽壳并未作任何移动，但阳极可以下降，补偿其消耗。(3)预焙阳极铝电解槽的阳极装置。由阳极碳块组和阳极升降机构组成。现代大容量中部下料铝电解槽还配备定时打壳下料装置和氧化铝、氟化铝料仓。阳极碳块组由阳极碳块、钢爪和铝导杆三部分组成。依据槽容量大小及碳块规格不同可有单块组、双块组和三块组。铝导杆与钢爪通常采用爆炸焊联接，钢爪置入碳块上的洼穴(碳碗)中，钢爪和碳碗间浇注磷生铁。也有用碳糊捣固的。阳极碳块表面喷一层铝液以防止其氧化，也有不喷铝液的。铝导杆用夹具紧固于阳极母线梁上。下料机构包括46个打壳锤头和相同数量的定量加料仓。加料点位于铝电解槽的中心部位自成一列。打洞加料自动进行，间隔时间短的不过3min，长者为12h。现代化铝电解槽的下料已采用自动控制方式，保持电解质中氧化铝浓度波动在一个很小的范围(23)内。大容量铝电解槽的阳极升降，一般选用蜗轮丝杠或滚珠丝杠摇板式机构。1.5.3 母线装置由阳极母线、阴极母线和立柱母线组成。母线为铝质压延母线或铝质铸造母线。铝母线的配置方式，视电解槽的排列方式和容量的不同而异。配置母线需经过精心设计，以求减弱磁场对电解运行的有害影响并节省母线用量。现代化大容量预焙阳极铝电解槽一般采用横向排列，母线配置采用多端(4端或5端)进电方式。中小型铝电解槽一般采取纵向排列，母线配置采取双端或单端进电方式。气体回收装置 侧插棒自焙阳极铝电解槽带有钢质卷帘或吊门，将电解槽加以密闭，由排烟管将烟气导出。上插棒自焙阳极铝电解槽由安装在阳极框套下部的集气罩将烟气收集于燃烧气中，经燃烧后的烟气排入烟道。预焙阳极铝电解槽用带有筋板的铝板构成多片单槽罩或整体槽罩，将电解槽密封。1.5.4 使用寿命铝电解槽的阴极内衬在使用一段时期后就会破损，这时候便需停槽大修。现代铝电解槽的平均使用寿命可达45a，长者可达78a。铝电解槽破损停槽的主要标志为槽内铝液中铁含量连续不断的增加以至于超过1，表明碳阴极已发生破损，钢质阴极棒已被铝液侵蚀，此时需停槽大修。铝电解槽破损主要发生在碳阴极本体中。同时碳阴极下部的耐火砖和保温材料中也发生严重变化，钢质槽壳也伴有严重变形或破裂。根据现场观察，破损现象9有：(1)碳阴极中出现大而深的裂纹；(2)碳阴极出现冲蚀深坑；(3)碳阴极呈层状剥落；(4)碳阴极向上隆起并开裂；(5)阴极棒受铝液侵蚀并熔化，阴极棒发生变形，向上隆起；(6)槽底耐火砖和保温材料受电解质侵蚀，其中间部位存在棱镜状灰白层；(7)侧部碳块受电解质和铝液冲刷磨蚀产生孔洞；(8)钢质槽壳向外膨胀呈椭圆形，底部钢板向下鼓出甚至开裂。这些破损现象彼此相互联系，可能会同时出现。在铝电解过程中，钠始终向碳阴极渗透。钠是由两种反应产生的，一种是钠离子在阴极上放电生成的，另一种是铝和电解质中氟化钠起反应置换出钠。钠渗透到炭素材料中导致炭素材料体积膨胀并产生裂纹，铝和电解质沿裂缝侵入阴极，最终导致停槽大修。为了延长铝电解槽的使用寿命，要从多方面采取措旎。在设计时通过精确计算，设计出强度高的槽壳，并使槽内的热场和磁场分布合理。建造时要采用高质量的砌筑材料和进行精确的施工。操作上要采用合适的焙烧和启动方式，并建立平稳的正常运行制度等。第二章 厂址选择与论证厂址的选择不仅直接影响基建投资、生产经营和发展，还影响地区的交通运输、环境保护、农业生产和城镇建设等的发展。所以选择必须详细勘察、调查研究、综合分析、多方案比较论证。评选出经济效益、社会效益、环境效益最优的厂址，总结过去的实践经验，厂址选择应遵循一定的基本原则：符合铝工业的总体布局；充足的电、水能源供应；靠近原料生产基地或产品消费主要地点；发达的交通运输基础；合适的建设场地条件；满足环境保护的要求；良好的外部协作环境；良好的地理条件10。2.1.电力供应具有充裕、稳定而廉价的电力供应条件，是电解铝厂厂址选择必须首先考虑的因素。洛阳伊川工业园区是以伊川电力为依托，集煤电铝铝深加工一体化的大型工业园区，厂址选于此处，将会有伊川电力为其提供充足的电能，保证电解铝正常的生产。 同时廉价的煤电供应，保证了铝电解的长久地经济效益11。2.2.运输系统一般来说，如果厂址有方便的、低成本的外部运输系统，如铁路运输系统，则可以大大地降低运输费用。而且，由于工厂的人员流动、零星货物运输、消防保安等需要，方便的道路系统也是必不可少的。伊川县地貌特殊，为了提高土地使用效率，该县将产业集聚区分为东西两园，共8.719平方公里。东园以原铝电工业园为依托，最西接近焦柳铁路伊川站，与伊川县规划伊河东县城新区接壤，西园北至西南环高速公路，西至老洛栾路，东到洛栾快速通道。产业集聚区交通便利，二广高速伊川出口、焦枝铁路伊川站等均集聚区内。该工业园区交通便利，保障了原材料和产品的运输。2.3.外围服务这里所说的外围服务，是指地方提供的价格合理的人力资源、维修服务和其它生活保障体系。现代化大型电解铝厂是一个技术密集型企业，需要各种高素质人才。伊川县紧邻洛阳市，有河南科技大学、中国人民解放军外国语学院、中国民航飞行学院洛阳分院、洛阳师范学院、洛阳理工学院等多所高校为其提供人才保障。同时，洛阳市又有各种研究院诸如，七二五研究院，613所 ，中色科技（国内唯一以有色金属加工行业规划、工程设计、设备研制、科研开发及工程总承包为主的综合性机构）、洛铜（国家级重有色金属检测试验中心） ，隧道工程局、工程兵科研三所等，这些单位大多是全国的行业技术归口单位，有很强的研发实力，为我提供强有力的科技支撑。2.4.环境和土地目前，世界上工业生产铝的工艺方法普遍采用“高温熔盐电解法”。因为电解铝生产工艺的特殊性，生产过程中将排放少量HF烟气这是电解铝厂最主要的污染源。因此，要求厂址区域有较大的环境容量。同时，土地是电解铝厂建设的必要条件。伊川工业园区共占地8.719平方公里 ，土地资源充足，而且位于郊外，避免对中心城市的影响。总之，影响电解铝厂址选择的因素很多，综合考虑其经济因素和环境因素，伊川工业园区最为适合铝电解的生产，故将厂址选于此处。第三章 技术经济3.1主要技术经济指标的选择论证正常生产的主要技术经济指标包括：电流效率、电解温度、极距、电解只成分、阳极电流密度、铝液水平、电解质水平、阳极效应系数等。这些指标互相影响，总的来说，在一定时期内尽可能地保持其相对稳定，下面对它们分别进行选择论证。(1) 电流效率电流效率是铝电解生产过程中的一项非常重要的技术经济指标。目前电解炼铝的电流效率一般在88%95%。本设计选取的电流效率为94%。(2) 电解质成分本设计400kA电解槽的电解质成分为：分子比2.12.3，CaF2含量为5.0%MgF2含量为2.0%，氧化铝浓度为1.5%2.0%。(3) 电解温度分子比控制在2.12.3时，电解温度940950(4) 极距所谓极距，是指阴、阳两极之间的距离。本设计选极距为4.04.5。(5) 阳极电流密度本设计阳极电流密度选0.815A/cm2。(6) 电解质水平和铝液水平所谓电解质水平和铝液水平，是指他们各自的厚度而言。本设计的电解质水平选为22cm24cm，铝业水平为20cm22cm。(7) 阳极效应系数每日分摊到每槽的阳极效应次数称为阳极效应系数。对阳极效应系数的要求为不大于0.3次/槽日即可。阳极效应发生后的持续时间约定为5min左右比较合适。3.2综合经济技术指标的计算1. 电解槽寿命论证国外大型预焙槽寿命都在60个月即1800天以上，有的已达到100个月即3000天。现在国内的较大型的电解槽寿命普遍达到1800天以上，预计可达2500天。本设计槽寿命为2000天，即2000/365=5.48年。2. 单槽日产量设计电流强度为400kA，电流效率为94%，则Q=0.3356I10-3 (3-1) =0.33564000000.9410-324 =3028.45（kg/槽d）3. 电解槽数量 生产槽数Np=年产量/（Q365） (3-2) =220000103/（3028045365）=199.02199台 大修槽数Nr=生产槽数/槽寿命=199/5.48=36.3136台 备用槽数=K大修槽数大修时间=1.53660/365=8.8719台（K一般取1-2，取1.5，大修时间tr=60天） 总槽数=生产槽数+备用槽数=199+9=208台4. 槽结构计算(1) 阳极尺寸一般来说，电解槽容量越大，则阳极尺寸也要大一些。综合各种因素的考虑，本设计阳极尺寸设计为1550mm660mm540mm，采用四个钢爪，每个钢爪的面积为0.236m2个-1。(2) 槽膛深度槽膛深度主要取决于槽中电解质铝液水平及操作工艺制度。本设计所采用的槽膛深度为550mm