年产10万吨铝电解车间设计毕业设计;

1、湖南有色金属职业技术学院2014届毕业设计（论文、作品）题目： 年产10万吨铝的电解车间设计系（部）：冶金材料系专业班级：冶金1201班姓 名：曹远鹏指导老师：贾菁华2014 年 10 月 13 日目录1 绪论 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 112.1 铝电解槽的简介 112.2 电解槽的设计及相关计算 122.2.1 单个

2、电解槽日产量计算 122.2.2 电解槽槽数的确定 122.2.3 备用槽槽数 122.2.4 电解槽理论吨铝直流电耗的计算 132.2.5 电流密度 132.3 铝电解槽结构参数的确定 142.3.1 阳极尺寸 142.3.2 槽膛尺寸 152.3.3 槽壳尺寸 152.3.4 阴极炭块数目 152.3.5 铝母线 162.3.6 极距 162.4 铝电解槽的电压平衡计算 172.4.1 极化电动势 172.4.2 电解质电压降 182.4.3 阳极电压降 192.4.4 阴极电压降 192.4.5 铝母线电压降、阳极效应均摊电压降 202.4.6 槽平均电压 20矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。聞創

3、沟燴鐺險爱氇谴净。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。構氽頑黉碩饨荠龈话骛。輒峄陽檉簖疖網儂號泶。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。鯊腎鑰诎褳

4、鉀沩懼統庫。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。21 氬嚕躑竄 贸恳彈 瀘颔4物料平衡计算 （简单的冶金计算 4、5 部分可以合在一起） 澩。3.2 Al 2O3 消耗量 21怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。3.3 实际消耗量 21谚辞調担鈧谄动禪泻類。3.4 氟化盐的消耗量 21嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。3.5 阳极炭块的消耗 22熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。3.6 物料平衡列表 22 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。5 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） 23 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。4.1 电能收入 23颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。4.2 能量支出： . 23濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。4.

5、2.1补偿电解反应所需的能量. 23銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。4.2.2补偿加热原料所需的能量. 24挤貼綬电麥结鈺贖哓类。4.2.3母线损失的能量 . 24赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。4.2.4电解槽的热损失 . 24塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。6 电解铝车间配置图 . 25裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。7 参考文献 . 27仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。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

6、 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。 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。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。关键词： 铝 电解槽 能量平衡 设计171 绪论1.1 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。

7、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。 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。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， AlCl 3 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。 瑣钋濺暧惲锟缟馭 篩凉。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

8、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。 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。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。 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。纯净的铝是具有 银白色光泽的金属，密度为 2.70g/cm 3，熔点为 660.4 C,沸点为2467 C。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 C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

9、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。 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。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，

10、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。 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。 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Al 2S3 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。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。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

11、 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。 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。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

12、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。 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。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180350kA，吨铝直流电耗降至1

13、290014000kw.h.t -1。目前，西方国家用于生产的电解槽最大电流强度为350 kA，且绝大多数企业为280320 kA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梯度，下料比较频繁，电解质的混合长度不高造成的2。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。1.2.2 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几个方面 3 ：（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 越高；（ 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

14、 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2.1.1 铝电解工艺流程现代铝工业生产，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%CO4 ， 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。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。22OKV交瀛电排人尢1I预焙阳规块 宜流虹 鼠化盐 斯衅氣化铝净

15、化后炳气铝锭图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950C -970 C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：2AI 2Q= 4AI + 3Q to阳极：2OT 4e= 2O2t阴极：AI 3+ + 3e= Al陽簍埡鮭罷規呜旧岿錟。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、 及氟化镁5 o2.121氧化铝铝电解的主体原料是氧化铝。生产每吨铝所需的AI2Q量，从理

16、论上计算等 于1889kg。实际上由于工业氧化铝大约含有 AI2Q 98.5 %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 19201940kg 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。氧化铝是从铝土矿、霞石、蓝晶石、明矶石、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(AI 3+)，使其保持适宜范围的浓度，以保障电解生产持续、稳定地进行钡嵐縣緱虜荣产涛團

17、蔺。a:化学纯度的要求工业氧化铝中通常含有Al 203 99%左右，其他成分通常为少量的SiO2，FezQ，TiO2，N&O, CaO和 H2Q 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。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Fe2Q,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NaO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。P2Q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

18、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。謾饱兗争詣繚鮐癞别濾。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。例如，氧化铝中各项杂质的含量应符合表格1-1条件。 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。表1-1NaOV2QSiO2P2QFe2QZnOTd0.04%0.003%0.04%0.003%0.04%0.005%0.005%b: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 溶解在熔融电解质里；三：飞扬损失小，

19、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 ）。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。表1-2不同类型氧化铝的物理特性类型a-Al 203比表面积堆积比重真比重安息角灼减粒度（-44m）%m/gg/cm3g/cm3o%砂状10 2050 600.95-1.053.7300.9 1.2350.853.735-400.512-20粉状60 702103.9420.340物料的安息角取决

20、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40-50卩m安息角小,只有30。50，其中a AI2Q含量少于20 %, 丫 Al 203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 o粉型氧化铝呈片状和羽毛状，颗粒较细，安息角大，约为45 , a AI2Q含量达到80%。中间型氧化铝介乎二者之间。 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。2.1.2.2铝电解的辅助原料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8,9等。在铝电解过程中，生产每吨铝的氟盐的消

21、耗指 标是：冰晶石 520kg，氟化铝1530kg，氟化锂 23kg。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲 锬。a:冰晶石铝电解所用的熔剂主要是冰晶石（3NaF-AIF 3）。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。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。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-氧化铝熔液。这种熔液在电解温度在电解温度950C左右能够良好的导电。它的密度大约是 2.1g/cm 3,比同一温度下铝液的密度2.3g/cm 3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

22、比铝 更正电性的元素，从而能够保证电解产物铝的质量。灭暧骇諗鋅猎輛觏馊藹。天然冰晶石(3NaF-AIF3)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 C。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。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。表1 3人造冰晶石的质量标准(GB/T 4291-1999)等级化学成分(%不小于杂质成分(%不大于FAlNaSiQFe2Qsq2CaORQHbO550 C30min灼减特级5313320.250.050.70.100.020.42.5二级5313320.360.081.20.

23、150.030.53.0三级5313320.400.101.30.200.030.83.0b: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 。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。表1-4氟化铝质量标准(GB4292-84)等级化学成分，质量)FAl SiOz+FeO2SOP2QHO一级613040.41.20.057二级603050.51.50.057.5c: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

24、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。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。表1-5氟化钙质量标准(YB326-70)成分等级CaF2(%)杂质含量(% 不大于不小于SiQ2CaCQH2Q一级980.81.00.5二级971.01.20.5三级951.41.50.5四级932.0一0.5d: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MgF，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。夹覡闾辁駁档驀迁锬減。表1

25、- 6氟化镁质量标准等级化学成分(%F Mg2-SC4SiQ2 R 2C3H 2Q一级45321.50.9 2.01.02.2.1电解铝机理2.2.1.1铝电解的总反应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AI+直接放电9。两种观点的总反应方程式均为：视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。2AI2O3 (aq) +3C (s) =4AI (I ) +3CQ (g)2.2.1.2阴极反应NS3AIF6-AI 2Q熔体中Nh是电流的主要传递者10，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

26、离子。但是在复杂的熔盐体系中，如N3AIF6-AI2Q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。 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。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：3+AI 3+（配离子） + 3e = AINc3AIF6-AI 2O熔体中并不存在单独的 AI3+，铝是包含在铝氧氟配离子中。因此， AI 3+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。 緦徑铫膾龋

27、轿级镗挢廟。2.2.1.3 阳极反应N&AIF6-AI 2Q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02，然后与炭阳极反应生成CQ。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼阳极反应： 2O2 2- （配离子） + 2C - 4e = 2CO 2113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

28、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12。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。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

29、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。n =( 1000000Q/0.3356lt ) *100 %。本设计中的电流效率为94% 镞锊过润启婭澗骆讕濾。3.2.1单个电解槽日产量计算电解槽日产原铝量按下式计算Q=0.3356l n t x 10(t/d ) 12,式中：0.3356 铝的电化学当量,g/(A h) I 电流强度,A 榿贰轲誊壟该槛鲻垲

30、赛。n电流效率， t 日工作时间,h 则Q=0.3356I n t x 10-6=0.3356 x 240 x 1000 x 0.94 x 24 x 10-6 =1.817(t/ 台天)3.2.2电解槽槽数的确定工作槽数的确定年产铝10万吨，则电解槽台数 N计算如下N=100000Qa式中：Q电解槽日产原铝量(t/台天)a年工作天数定为340天N=100000/1.817 x 340=162 (台)3.2.3备用槽槽数备用槽槽数经验公式13N .n=t2000t 大修一台槽时间系列生产槽数台此处取为30天2000电解槽内衬平均寿命N t=162 X 30/2000=2.43 2000n=取为3

31、台324电解槽理论吨铝直流电耗的计算W=一V X 103(KW- h/t)0.3356式中：电解槽平均电压取 4.068VW= 4.068 X 103=12895(KW h/t)0.33563.2.5电流密度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

32、度即成本电流密度 D。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。式中：D成本方面的经济电流密度A/cm 2A 电解槽及所有附属设备，建筑物与低平等的费用&电价 元/(KW - h)B电解槽的总电阻包括效应电阻平均值？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_2前铝电解槽设计中多采用经验值，取D = 0.733 A/cm嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。3.3铝电解槽结构参数的确定2.3.1阳极尺寸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

33、宽度在500-750 mm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该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。1550mm 660mm 550mm2阳极电流密度：l=0.733 A/cm，则阳极总面积 S阳为：2400002S 阳-327421.555cm0.733每块阳极的水平截面积S-155X 66=10230 cm 2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130mnX 130mm纯铝材质，面积电流0.888 A

34、/mml;铝钢爆炸焊片其中铝板规格165mnX 165mnX 12mm钢板规格165mnX 165 mmX 40mm 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 C。钢连接板梁的钢板规格为150mnX 890mnX 16mm面积电流 0.094 A/mnn，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。劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。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200 mm300 mm,本次设计取 250 mm,

35、组间距离一般采用40 mm50 mm,本设计取为 50 mm。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。 臠龍讹驄桠业 變墊罗蘄。3.3.2 槽膛尺寸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400mn 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鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。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- 5

36、00mm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450mn 550mm之间，本设计取 450mm。所以穡釓虚绺滟鳗絲懷紆泺。槽膛宽度=2X 500+2 X 1550+250=4350mm槽膛长度=16 X 660+15 X 50+2 X 450=12210mm3.3.3 槽壳尺寸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(2X 65mm， 一层氧化铝粉(40mm和两层保温砖(2 X 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，

37、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。 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。槽壳长度 12210+2X180+2X 100=12770mm槽壳宽度 4350+2X 180+2X 100=4910mm 槽壳深度 550+450+40+2 X 65+40+2 X 65+65=1405mm3.3.4阴极炭块数目本设计阴极炭块设计规格为3250mnX 515mnX 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。浹繢腻叢着駕骠構砀湊。每个阳极实际尺寸：长： 155 2X 3.8=147.4cm宽： 66 2X 3.8=58.4cm扇形参

38、数： F=1.27+0.6 X 4.0=3.67阳 极 有 效 面 积 ： AA=( 147.4+2 X 3.67 )( 58.4+2 X 3.67 ) X236=366213.87cm 2 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。阴 极 有 效 面 积 ： AC=( 147.4+3 X 3.67 )( 58.4+3 X 3.67 ) X236=395828.57cm 2惬執缉蘿绅颀阳灣愴鍵。每块阴极的水平截面积：325 X 51.5=16738cm阴极炭块数N N=囂厂如块）3.3.5铝母线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

39、母线的 电流密度一般为 0.250.40A/mm2。贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。电解槽阳极母线断面为550mnX 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。嚌鳍级厨胀鑲铟礦毁蕲。立柱母线断面为 320mnX 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。薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。3.3.6极距所谓极距，是指

40、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。齡践砚语蜗铸转絹攤濼。表2-1铝电解槽基本尺寸槽壳外形尺寸（mm12770X 4910X1405槽膛尺寸（mm12210X 4350槽膛深度（mm5

41、50阳极组数（组）32阳极炭块尺寸（mm1550 X 660 X 550阴极炭块尺寸（mm3250 X 515 X 450阴极炭块组数（组）242278 X 130 X 1304300 X 180 X 65550X 200阳极导杆尺寸（mm 阴极棒尺寸（mm 母线规格（mm3.4铝电解槽的电压平衡计算电解槽电压平衡计算设计16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 X 550mrX 4350mm阳极：1550mnrK 660mnX 550mm电解质温度：950 C；极距：4.0cm ;电解质成分： Al 203 3%, CaF2 5%; LiF 0

42、.04%。分子比取：2.2 o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 导体是冰晶石一氧化铝熔融电解质。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。绅薮疮颧訝标販繯轅赛。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

43、。3.4.1极化电动势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：E极化=E 分解+ n阳极+ n阴极式中：E。分解按铝电解一次反应所求得的理论分解电压n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 X 10-4 T （V） 在 T=1223K （950C）时，E 分解=1.196Vn阳极，这是过电压中占有分量最大的部分，RTn阳极=nF式中i阳极电流密度A/cmi 反应极限电流密度，在 AI2Q浓度在28%（质量）时,i =0.0039 0.0085，此处取 i =0.008A/cm2P I =1.00 1.1

44、2，此处取为 1.10。 lv丿1.987 1223, 0.733n阳极=X In1.0仆 23.060.008=433mVn阴极是扩散过电压，n阴极的半经验式为n阴极= RTt-p5CR1.5Fi阴0.257式中:CR电解质的 NaF/AIF3摩尔比2.2，i阴阴极电流密度,i 阴=300000/433758=0.6916A/cm2n 阴极 J987 12231375 - .12522 ln 嗨1.573.0620.257=76.5mVE 极化=E 分解 + n 阳极 + n 阴极=1.196+0.433+0.0765=1.7055V3.4.2电解质电压降一般可由下式取得其中：I :为电流强

45、度，（A） ; S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-1）;K:为校正值，一般取 &则有 饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。V 质=1.51V3.4.3阳极电压降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

46、极炭块压降： 200mv;贝U V阳=0.351V。烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。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1015%槽底电压降主要是受阴极结构的影响，主要包括铝液一槽底接触点压降，槽底 炭块本身电压降，炭块一阴极棒接点压降，阴极棒上电压降。阴极电压降171分项计算，比较复杂，这里采用模拟经验式。鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。V 阴=L 导：、103+ （3.93 X 10-2A?+2.87： 3:）三D 阳S式中 L 导炭块中的电流导程cmP炭块电阻系数 0.00451 cmA槽膛宽度的一半 4350/2=2175mmS浇铸时阴极钢棒截面积（65+20） （180+

47、20） =17000mrn: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 X 45-1.1 X 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：V阴=L 导 t 103+ (3.83 X 10-2+2.87 : 3 :)S=39.7 X 0.0045 X 103

48、+(3.83 X 10-2 X217.52+2.87 X 15X 3 15)55 5X X 0.733撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。170=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0.167VV效应均摊=k(V-V)t2460式中V 1阳极效应时的槽上电压V 1=30VV平均槽电压 V K效应系数次/天 0.3次/天t效应持续时间3minV效应均摊=kM V)t24 603(30一4)3=0.0163V24 603.4.6槽平均电压V 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-

49、2所示。表2-2电压平衡（V）240KA预焙槽E极化1.7005V质1.50V阳0.351V阴0.463V效应均摊0.0163母线电压0.167总计4.204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184.1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：P=0.3356l n tiX 10-33=0.3356X 240000X 0.94 X 10-=75.71Kg/（槽 h）4.2 Al 2O3消耗量根据化学反应式 Al 2C3 f Al+3/2O 2计算理论消耗量（按每吨铝计算）Al2C3消耗量=102X 100

50、0/27 X 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%。Al 2C3实际消耗量取：1930Kg/TAlAl 2C3理论每小时单耗为：1888.89 X 75.71 X 10-3=143Kg/槽 h;Al 2C3 实际每小时单耗为:1930 X 75.71 X 10-3=146.12Kg/ 槽 h;Al 2C3 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/TAI ;氟化钙单耗为：4k

51、g/TAI 。踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。贝U冰晶石消耗量为：5X 75.71 X 10-3=0.379/槽h;o氟化铝消耗量为：25 X 75.71 X 10- =1.893kg/槽h;氟化镁消耗量为：5 X 75.71 X 10-3=0.379kg/槽h;氟化钙消耗量为：4X 75.71 X 10-3=0.303kg/槽h4.5阳极炭块的消耗根据反应方程式Al 2Q+3/2C 2AI+3/2CO 2计算理论碳耗量：18X 1000/27 X 2=333.33kg/TAL由于阳极副反应，实际生产中生成的气体是CO和CO的混合物，其中CO约占 75%, CO 占 25%。Al 2Q+12/7C 2A

52、I+9/7CO 2+3/7CO理论实际碳耗量为：(12/7 X 12X 75.71)/27 X 2=28.84kg/ 槽 h;生产 CQ为：(9/7 X 44 X 75.71)/54=79.85kg/槽 h;生产 CO为:(3/7 X 28 X 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：420kg/TAI 。婭鑠机职錮夾簣軒蚀骞。实际单槽每小时碳耗为：420 X 75.71 X 10-3=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项目Kg/h项目Kg/h氧化铝146.12原铝75.71冰晶石0.379冰晶石0.379氟化铝1.893氟化铝1.893氟化镁0.379氟化镁0.379氟化钙0.303氟化钙0.303阳极炭块31.80炭损失量2.96CO生成量79.85CO生成量16.28合计180.87氧化铝损失量3.12合计 180.875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 C,在计算中以电解温度作为能量