鋁電解生產(chǎn)工藝流程設(shè)計

1、 第一章 概述1.1 鋁電解工業(yè)現(xiàn)狀 目前, 電解鋁工業(yè)仍以改善和提高霍爾-埃魯法電解槽技術(shù)水平為主, 著力于節(jié)能減排, 降低能耗、 物耗和原鋁成本, 在從源頭上就減少氣固廢物料污染的同時, 加強廢物料廢鋁的無害化和資源化處理, 實現(xiàn)資源再生和循環(huán)利用, 進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和擴大產(chǎn)品種類?，F(xiàn)代化預(yù)焙電解槽的電流強度繼續(xù)向超大型化發(fā)展。繼法國ap18和ap30型電解槽技術(shù)后, ap50技術(shù)已問世。最近, 俄羅斯鋁業(yè)啟動了電流強度為400 ka的ra400槽型電解槽系列兩條。該系列是在原300 ka電解槽技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的第二代超大型電解槽, 該槽日產(chǎn)量3 t, 電流效率94%, 電耗13800 k

2、wh/t, 減少33%污染物。目前正在開發(fā)450500 ka電解槽, 預(yù)計將開展ra500電解槽試驗。600740 ka超大容量電解槽也在開發(fā)研究中。國外大容量(300 ka以上)電解槽陽極電流密度為0.8 a/cm2以上, 主要經(jīng)濟技術(shù)指標: 電流效率93%95%, 直流電耗1300013500 kwh/t(al); 最先進的技術(shù)指標電流效率可達96%, 電耗略低于13000 kwh/t(al)。表1-2為彼斯涅ap30ap50電解槽發(fā)展過程中的主要設(shè)計參數(shù)和技術(shù)經(jīng)濟指標。法國彼斯涅ap系列電解技術(shù)被公認為代表當今國際領(lǐng)先水平。從ap電解系列技術(shù)中不難看出其具有如下幾個特點:(1)陽極電流密

3、度較高, 可達0.8 a/cm2以上, 單位陰極面積產(chǎn)能大。(2)槽電壓和電解穩(wěn)定性均較高, 電解質(zhì)過熱度都較低, 不超過10, 槽膛內(nèi)形中爐幫和伸腿的固相結(jié)殼厚度穩(wěn)定合理, 因此電流效率高, 可達95%96%, 電耗可低到13000 kwh/t(al), 槽壽命達2000天。(3)分子比、 氧化鋁和陽極效應(yīng)系數(shù)低, 說明其設(shè)計操作和控制技術(shù)水平高。國外鋁電解的數(shù)學(xué)模型、 傳感器、 控制和新材料等功能化技術(shù)水平較高。采用的物理場數(shù)學(xué)模型精確有效, 電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量高, 槽電解運行穩(wěn)定性好, 電流效率可達95%96%。應(yīng)用了半連續(xù)傳感器實時在線檢測控制溫度、 過熱度、 分子比、 熔體高度和氧化

4、鋁濃度?？刂扑较冗M, 控制效應(yīng)系數(shù)向零目標發(fā)展。在高電流密度、 高槽電壓、 高電解溫度條件下, 通過槽電壓、 分子比和過熱度的軟件程序控制技術(shù), 實現(xiàn)電解槽的能量平衡、 物料平衡和液固相平衡, 即過熱度和爐幫伸腿構(gòu)成的固相電解質(zhì)槽膛內(nèi)型穩(wěn)定合理。這樣不僅電流效率高、 炭耗低, 而且電解槽壽命長。表1-2 彼斯涅ap30ap50電解槽發(fā)展過程中的主要設(shè)計參數(shù)和技術(shù)經(jīng)濟指標表開發(fā)應(yīng)用抗熔體滲透的槽襯耐火材料、 熱電偶套管、 優(yōu)質(zhì)炭素陰陽極、 可濕潤陰極和惰性陽極等新型材料。優(yōu)化電解質(zhì)組成, 降低電解質(zhì)電壓降和提高電流效率。對鋁電解產(chǎn)生的廢渣、 廢槽襯等廢物料實行有價成分再生回收并循環(huán)利用, 或?qū)?/p>

5、其做無害化處理, 減輕鋁電解工業(yè)廢物對環(huán)境污染。美國鋁電解工業(yè)總排氟量達到0.7 kg/t(al)水平。為了大幅度提高電解法能量效率和減少二氧化碳排放量, 國外開展力求降低陰陽極之間電壓降的工業(yè)試驗, 采用炭陽極開溝槽、 tib2可濕潤陰極、 惰性陽極、 導(dǎo)流式或雙極多室式新型結(jié)構(gòu)電解槽等新工藝新技術(shù)新材料新設(shè)備。對于可望替代現(xiàn)有霍爾-埃魯特電解法的一些煉鋁新工藝方法, 如炭熱還原法、 氯化鋁雙極多室電解法等長遠課題還在繼續(xù)進行研究。1.2 鋁電解工業(yè)的發(fā)展趨勢（1）世界鋁工業(yè)的組織結(jié)構(gòu)日趨規(guī)?；?、集團化、國際化目前世界上新建鋁企業(yè)的規(guī)模都比較大。西方新建或改造電解鋁的起步規(guī)模平均在25-50

6、萬噸之間。如加拿大鋁業(yè)公司投資19億美元正在建設(shè)的阿爾瑪 （alma）鋁廠，年產(chǎn)能40萬噸；2001年6月，由比利頓（billiton）礦業(yè)公司控股的莫桑比克鋁冶煉公司，投資10億美元建設(shè)與一期相同的原鋁能力25.3萬噸；法國普基鋁業(yè)公司計劃在委內(nèi)瑞拉建設(shè)一個年產(chǎn)能達46萬噸的電解鋁廠；幾內(nèi)亞擬在未來4-5年內(nèi)投資25億美元新建一個年產(chǎn)能達30 萬噸的電解鋁廠及相關(guān)項目。年產(chǎn)50萬噸電解鋁的海灣巴林鋁廠擬擴產(chǎn)到70萬噸規(guī)模。擴大產(chǎn)能的目的是節(jié)約成本，提高勞動生產(chǎn)率，加強競爭力。（2）鋁電解槽日趨大型化或超大型化，其科技含量、智能化程度越來越高冰晶石-氧化鋁電解法發(fā)明110多年來，電解槽設(shè)計逐漸

7、合理，容量大幅度增加，其科技含量、智能化程度越來越高，發(fā)展大型或超大型高效率、智能化的鋁電解槽已經(jīng)成為當今電解鋁企業(yè)技術(shù)進步的標志和趨勢，世界鋁電解工業(yè)的技術(shù)及裝備水平已經(jīng)有了很大提高，在生產(chǎn)規(guī)模、電解槽容量、計算機應(yīng)用、機械化和自動化 程度以及煙氣治理等方面都有了較大的進步變化。（3）電解鋁生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟指標向著高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽和低污染的方向加快進步西方國家先進電解鋁技術(shù)的發(fā)展，體現(xiàn)在技術(shù)經(jīng)濟指標的先進性上：a、槽型大，電流強度達到300ka以上；b、電流效率高，一般達到94%-95%，個別企業(yè)已經(jīng)提高到96%；c、噸鋁直流電耗低，一般為13200-13400kwh，個別企業(yè)已經(jīng)降低到

8、13000kwh。（4）世界鋁工業(yè)向電力充裕廉價、鋁土礦資源豐富的地區(qū)轉(zhuǎn)移目前，世界原鋁生產(chǎn)成本中電費占據(jù)相當大的比重，因此，如何降低發(fā)電成本和電價，降低原鋁生產(chǎn)電耗，是工業(yè)生存和發(fā)展的重要研究課題。雖然日本是鋁的消費大國，但鋁產(chǎn)量卻一直下降。日本現(xiàn)在主要靠在海外投資來獲取金屬鋁，仍保持人均年耗鋁28kg的高水平。日本鋁工業(yè)的衰落，除資源貧乏之外，最主要的是能源短缺，鋁用石油電價高達7.5美分/kwh，超過國際鋁業(yè)平均用電價格2.0-2.1美分/kwh數(shù)倍。日本鋁工業(yè)的興衰發(fā)人深思，電價漸漸變成左右鋁工業(yè)發(fā)展的制約因素。當今世界鋁工業(yè)被迫向電力充裕廉價的地區(qū)轉(zhuǎn)移，向鋁土礦資源豐富區(qū)域和發(fā)展中國

9、家轉(zhuǎn)移。 第二章 鋁電解工藝2.1鋁電解生產(chǎn)工藝流程 鋁電解工藝流程：現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)采用冰晶石氧化鋁融鹽電解法。熔融冰晶石是溶劑，氧化鋁作為溶質(zhì)，以碳素體作為陽極，鋁液作為陰極，通入強大的直流電后，在950-970下，在電解槽內(nèi)的兩極上進行電化學(xué)反應(yīng)，既電解?；瘜W(xué)反應(yīng)主要通過這個方程進行：2al2o3=4al 3o2。 陽極：2o2-4e=o2陰極:al3 3e=al。陽極產(chǎn)物主要是二氧化碳和一氧化碳氣體，其中含有一定量的氟化氫等有害氣體和固體粉塵。為保護環(huán)境和人類健康需對陽極氣體進行凈化處理，除去有害氣體和粉塵后排入大氣。陰極產(chǎn)物是鋁液，鋁液通過真空抬包從槽內(nèi)抽出，送往鑄造車間，在保溫爐內(nèi)經(jīng)

10、凈化澄清后，澆鑄成鋁錠或直接加工成線坯.型材等。 其生產(chǎn)工藝流程如下圖： 氧化鋁 氟化鹽 碳陽極 直流電 排出 陽極氣體- 電解槽 廢氣 氣體凈化 鋁液 回收氟化物 凈化澄清 返回電解槽 澆注 軋制或鑄造 鋁錠 線坯或型材 方程： 電解鋁就是通過電解得到的鋁. 重要通過這個方程進行：2al2o3=通電4al+3o2。 陽極：2o2-4e=o2 陰極:al3+ +3e=al 其生產(chǎn)工藝流程如圖2-1所示。圖2-1鋁電解工藝流程圖2.2 生產(chǎn)原料2.2.1 原料煉鋁的原料是氧化鋁。氧化鋁是當前冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法的唯一原料，是一種由礦石中提煉出來的有一定粒度要求的白色粉狀物，熔點2050，沸點

11、為3000，真密度為3.5-3.6gcm-3假密度為1gcm-3.。流動性很好，不溶于水，能溶于冰晶石熔體中，是鋁電解生產(chǎn)中的主原料。氧化鋁有七種晶型，最常見的是-al2o3，又稱剛玉型氧化鋁。它主要是不斷的補充電解質(zhì)中的鋁氧氟配合離子，使其保持一定的范圍濃度，以保證電解的持續(xù)進行。為了取得良好的生產(chǎn)指標，對氧化鋁的要求是非常嚴格的。鋁電解對氧化鋁的化學(xué)純度和物理性能有較高要求。（1）化學(xué)純度要求氧化鋁中雜質(zhì)含量和水分要低。工業(yè)氧化鋁中通常含有al2o3 98.5%以及少量的sio2、fe2o3、tio2、na2o、cao和h2o。表1-1為按化學(xué)純度分級的國產(chǎn)氧化鋁質(zhì)量標準。表1-1 國產(chǎn)氧

12、化鋁質(zhì)量標準（yb814-75）產(chǎn)品級別化學(xué)成分/%代號al2o3含量不少于雜質(zhì)含量不大于sio2fe2o3na2o灼堿一級al2o3-198.60.020.030.500.8二級al2o3-298.50.040.040.550.8三級al2o3-398.40.060.040.600.8四級al2o3-498.30.080.050.600.8五級al2o3-598.20.100.050.601.0六級al2o3-697.80.150.060.701.2（2）物理性能通常要求他具有較小的吸水性，粒度適宜，能夠較多較快的溶解在熔融冰晶石里，加料時的飛揚損失要小，并且能夠嚴密的覆蓋在陽極炭塊上，防止

13、器暴露于空氣中而被氧化。另外，氧化鋁覆蓋在電解質(zhì)結(jié)殼上，還起良好的保溫作用。用于氣體凈化時，要求氧化鋁具有較好的活性和足夠的比表面積。工業(yè)用氧化鋁通常是兩種同素異構(gòu)體的混合物，即-al2o3和-al2o3.生產(chǎn)每噸鋁理論上需要氧化鋁1889kg。實際上由于工業(yè)氧化鋁中含al2o3 98.5%左右，且在運輸和加料過程中還存在塵散損失，所以生產(chǎn)每噸鋁所消耗的工業(yè)氧化鋁量約為1920-1940kg。2.2.2 輔料冰晶石是鋁電解中氧化鋁的熔劑，而氟化鋁、氟化鈣、氟化鎂、氟化鋰等氟化鹽則用作調(diào)整和改善電解質(zhì)性質(zhì)的添加劑，是鋁電解生產(chǎn)中的副原料。氟化鋁是主要的添加劑，主要用于降低電解質(zhì)的分子比，從而降低

14、電解溫度。氧化鋁可溶于油冰晶石和其他幾種氟化物組成的熔劑里，構(gòu)成冰晶石-氧化鋁熔液。這種熔液在電解溫度下能夠很好的導(dǎo)電。其密度大約是2.1gcm-3，比相同溫度下鋁液的密度2.3gcm-3小，而能夠保證與鋁液分層。這種熔液里基本不含比更正鋁電性的元素，從而能夠保證鋁的純度及電流效率。 第三章 技術(shù)條件及經(jīng)濟技術(shù)指標選擇3.1 技術(shù)條件正常生產(chǎn)的主要技術(shù)經(jīng)濟指標包括：電流效率、電解溫度、電解質(zhì)水平、陽極電流密度、鋁水平、極距、電解質(zhì)分子比、陽極效應(yīng)系數(shù)等。這些指標互相影響，總的來說，在一定時期內(nèi)盡可能地保持其相對穩(wěn)定。3.1.1 電流強度原則上說，大廠用大電流的電解槽，小廠用小電流的電解槽。產(chǎn)量

15、大的鋁廠，如年產(chǎn)20萬t以上，以大電流為好，280ka、300ka、皆可；而年產(chǎn)量在5-20萬t的鋁廠，則以160-280ka為主；年產(chǎn)5萬t一下可選擇60-160ka。本次設(shè)計選用300ka電解槽。3.1.2 電流密度電流密度是指單位導(dǎo)電面積上的電流強度d=i/s。對于60-75ka的側(cè)插槽，其陽極面積電流一般為0.7-0.9acm-2；對于80-110ka的上插槽，d陽為0.6-0.7acm-2；而135-180ka的預(yù)焙槽的d陽通常在0.6-0.8acm-2。本設(shè)計中d陽為0.815acm-2。3.1.3 解質(zhì)水平與鋁水平電解質(zhì)水平是指電解槽中電解質(zhì)的深度。鋁水平指電解槽中鋁液的深度。保

16、證電解質(zhì)水平和鋁水平在一定的范圍，是穩(wěn)定生產(chǎn)的前提。通常，電解質(zhì)水平為16-22cm，而鋁水平為20-30cm。本設(shè)計選擇電解質(zhì)水平22-24cm，鋁水平20-22cm。3.1.4極距極距是指陽極底面與鋁液鏡面間的距離。極距的變化會引起電解質(zhì)壓降的變化，造成槽電壓的波動，影響生產(chǎn)。通常極距不小于4.0cm。本設(shè)計選擇極距4.0-4.5cm。3.1.5電解質(zhì)分子比電解質(zhì)中naf的摩爾數(shù)與alf3的摩爾數(shù)之比稱為電解質(zhì)分子比，簡稱分子比。電解質(zhì)分子比與電解溫度相適應(yīng)，一般選擇高分子比的電解質(zhì)，其電解溫度也相應(yīng)提高。目前多選用較低分子比的電解質(zhì)組成，一般為2.2-2.6。本設(shè)計中分子比為2.2-2.

17、5。3.1.6電解溫度為電解能正常進行，電解溫度一般至少高于電解質(zhì)初晶溫度20以上，根據(jù)槽型及電解質(zhì)分子比的不同，電解溫度一般在930-960。本設(shè)計選擇940-950。3.1.7效應(yīng)系數(shù)陽極效應(yīng)是熔鹽電解過程中發(fā)生在陽極上的特殊現(xiàn)象，某一系列電解槽平均每臺電解槽每天發(fā)生陽極效應(yīng)的次數(shù)稱為效應(yīng)系數(shù)，對陽極效應(yīng)系數(shù)的要求為不大于0.3次/槽日即可。本設(shè)計中效應(yīng)系數(shù)0.3次/（槽日）。3.2技術(shù)經(jīng)濟指標鋁電解的技術(shù)經(jīng)濟指標有電流效率、槽電壓、原鋁直流電耗、炭耗、氟化鹽消耗等。3.2.1電流效率電流效率指某臺電解槽的日產(chǎn)原鋁量與理論日產(chǎn)原鋁量之比。電流效率是鋁電解生產(chǎn)過程中的一項非常重要的技術(shù)經(jīng)濟指

18、標。目前電解煉鋁的電流效率一般在88%-95%本設(shè)計中的電流效率為94%。3.2.2槽電壓槽電壓是電解槽電壓表上所指示的電壓值，也稱工作電壓。一般，100-150ka的上插槽，其槽電壓為4.3-4.5v，60-130ka的側(cè)插槽，其槽電壓在4.2-4.4v，而180-280ka的預(yù)焙槽的槽電壓為4.1-4.2v。本設(shè)計的平均工作電壓為4.25v。3.2.3原鋁直流電耗鋁電解槽內(nèi)析出每噸鋁所消耗的直流電能稱為原鋁直流電耗，就是電能消耗率。本設(shè)計中的電能消耗率小于14000 kwh/t-al。3.2.4炭耗炭耗生產(chǎn)每噸鋁消耗的陽極糊或陽極炭塊的質(zhì)量。一般平均炭耗為430-600kg/t-al。本設(shè)

19、計中的炭耗為500 kg/t-al。3.2.5氟化鹽消耗生產(chǎn)每噸鋁所消耗的冰晶石、alf3、lif等氟化鹽的總量，通常為20-40kg/t-al。本設(shè)計的氟化鹽消耗為： 冰晶石5kg/t-al氟化鋁24kg/t-al氟化鈣1kg/t-al本設(shè)計中的電解槽技術(shù)經(jīng)濟指標現(xiàn)列于下:序號指標名稱單位數(shù)量1電流強度ka3002電解槽數(shù)臺1803電流效率%954陽極電流密度a/20.755電解溫度940-9506極距4.0-4.57鋁水平22248電解質(zhì)水平20229陽極效應(yīng)系數(shù)次/槽日0.310電能消耗率kwh/t-al1400011平均工作電壓v4.2512氧化鋁單耗kg/t-al192013陽極碳塊

20、單耗kg/t-al50014冰晶石單耗kg/t-al515氟化鋁kg/t-al2416氟化鈣kg/t-al117分子比2.22.518氧化鋁濃度%1.52.519槽壽命天2000 表3-1 電解槽技術(shù)經(jīng)濟指標 第四章 冶金計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)： 產(chǎn)量：10萬噸/年 鋁錠 容量：300ka 陽極電流密度：0.75a/cm2 效應(yīng)系數(shù)：0.3次/槽日 電流效率：95% 陽極碳塊尺寸：1550mm660mm550mm單槽原鋁產(chǎn)量： 日產(chǎn) 3000.950.335524 = 2294.82 kg 年產(chǎn) 2294.823650.001 = 837t4.1 鋁電解槽電壓的平衡計算v平=v槽+v母+v效應(yīng)；其中:v

21、槽：電解槽的工作電壓；v母：槽外母線電壓降；v效應(yīng)：陽極效應(yīng)分攤壓降；其中，v槽=e極+v質(zhì)+v陽+v陰e極 =4.241-0.147-0.0177al203%+ 0.027mgf2%-0.00 1ca f2% - 0.0129nacl%-0.0195lif%+0.125d陽-0.0022t取分子比為：2.4 ; al2o3為2% ;caf2，為5% ; t：955 得e極=1.87v;用該式算出的極化電壓偏高，大約高出實測量0.05-0.1v，因此取 e極=1.8v左右。(1)電解質(zhì)壓降： 一般可由下式取得 v質(zhì) = 其中：i：為電流強度，（a）；s陽：為陽極水平截面積 （cm2）; l：為

22、極距改變值（cm）； x：為電解質(zhì)導(dǎo)電率（歐-1厘米-1）； k：為校正值，一般取8。(2)陽極效應(yīng)分擔壓降： 陽極效應(yīng)分擔壓降可按下式進行計算，即 v效應(yīng)= 其中：k：為陽極效應(yīng)系數(shù)，（次/槽日）；在此為0.1次/槽日；u效應(yīng)：為發(fā)生陽極效應(yīng)時的槽電壓，35（v）；u槽：為槽電壓4.06-4.22（v）；t：陽極效應(yīng)持續(xù)的時間（min）,在此為3min；v效應(yīng)=（0.130.823）/1440=0.017v。（3）陽極壓降：夾具壓接壓降：6mv； 鋁導(dǎo)桿壓降：10mv; 鋁-鋼爆炸焊片壓降：15mv; 鋼爪壓降：50mv; 鋼炭接觸壓牌：70mv; 陽極炭塊壓牌：200mv;v陽=0.35v

23、（4）陰極壓降v陰=0.35v（5）母線壓降：母線壓降在槽上基本不變，其實際值取決于電解槽的母線配置及安裝，母線配置一旦確定，母線本體壓降即確定，各焊接點壓降取決于第一次安裝時焊接的質(zhì)量，但立柱母線與陽極大母線同焊接點的壓降每次大修后視接觸面清理程序而有變化，電解槽通電后此值不會改變。 v母=0.18vv平=1.80+1.50+0.02+0.35+0.35+0.18=4.20v 現(xiàn)列電解槽平衡電壓表如下：.表4-1 鋁電解槽電壓平衡表 300ka預(yù)賠槽e反1.80v質(zhì)1.50v效應(yīng)0.02v陽0.35v陰0.35v母0.18合計4.204.2 物料平衡計算以1小時為計算基礎(chǔ)，平均電流強度取30

24、0ka，電流效率95%(1) 電解槽鋁產(chǎn)量：q=ci=0.33553000.95=95.62kg/h(2) 氧化鋁的消耗量：取al2o3單耗為1920kg/tal 氧化鋁實際消耗量=95.621.92=183.59kg/h； 氧化鋁理論消耗量=95.621.89=180.72kg/h; 氧化鋁的損失量=183.59-180.72=2.83kg/h(3) 氟鹽消耗量： 取冰晶石單耗為5kg/tal，氟化鋁單耗24kg/tal，氟化鈣：1kg/tal 冰晶石消耗量 = 86.010.005=0.48kg/h 氟化鋁消耗量 = 86.010.027=2.58kg/h 氟化鈣消耗量 = 86.010.

25、001=0.095kg/h(4) 陽極炭塊消耗量：鋁電解的總反應(yīng)式：al2o3+3/(1+n)c=2al3n/(1+n)co23(1-n)/(1+n)co其中，n：co2的質(zhì)量分數(shù)：當一次陽極氣體的成份為100% co2，則co是產(chǎn)生的al與作co2用的結(jié)果，一次反應(yīng)電流利用率100%，由此一次反應(yīng)為al2o3+1.5c=2al+1.5co2若電流效率為，其二次反應(yīng)：2（1-）al+3（1-）co2=(1-)al2o3+3(1-)con= n=0.88理論炭耗量=（312.01195.0175）/（1.8854）=33.94kg/h 取實際炭耗量為 450kg/tal 實際炭耗量=45086.

26、0055751000=42.75kg/h 炭損失量=42.75-33.94=8.81kg/h 炭耗指數(shù)=（36.55/30.53）100%=126%(5) 反應(yīng)生成的氣體量： co2生成量=（30.884495.0175）/（1+0.88）54=108.72kg/h co的生成量=3（1-0.88）2895.0175/（1+0.88）54=9.43kg/h現(xiàn)列物料平衡表如下：表4-1 物料平衡表收入支出項目/h/天/年%項目/h/天/年%氧化鋁183.594406160824883.35原鋁86.011816.5643597.4439.29冰晶石0.4811.5242040.22冰晶石0.48

27、11.5242040.22 氟化鋁2.5861.92226001.17氟化鋁2.5861.92226001.18 氟化鈣0.0952288320.03氟化鈣0.0952288320.04 碳塊33.55772.0828180915.23碳損失量8.81211.44771754.02 co2生成量108.722609.2895238749.66co生成量9.43226.32826074.31氧化鋁損失2.8367.92247911.29 合計220.2955253.81917693100合計218.9195007.241208193100平衡差額0.01246.5670950004.3 能量平衡

28、以1小時為計算基礎(chǔ)，取電解溫度為950，在計算中以電解溫度作為能量平衡的溫度基準，并以電解槽整體作為計算體系：由能量的平衡式：a電=a反+a材+a損失4.3.1 電能收入a電=u平均i=4.25300=1275kw4.3.2能量支出：（1）補償電解反應(yīng)所需的能量當電解生產(chǎn)的電流效率為100%時，其補償反應(yīng)熱效應(yīng)的能量是5.63kwh/kgal，但電流效率不可能達到100%，因此，考慮到電流效率的電解反應(yīng)是：al2o3+3/2c=2al+3(2-1)/2co2+3(1-)/coa根據(jù)熱力學(xué)第一定律,反應(yīng)效應(yīng)h0t: h0t=(2-)(h0t)co2+3(-1)(h0t)co-(h0t)al2o3

29、kwh/kg alh0t co2、h0t co、h0t al2o3co2、co和al2o3生成熱（kg/mol）;3600千焦換算成瓦時的換算系數(shù)；經(jīng)整理得：h0t=(201.33+)=4.34+kwh/kg al因此,在單位時間內(nèi),鋁的產(chǎn)量為0.3355ikg時,則補償電解反應(yīng)的熱效應(yīng)的能量a反:a反=0.3355i(h0t)=0,3355i(4.34+)= 0.3355 =484.78kwh/hb補償加熱原料所需的能量：在電解反應(yīng)中，生成2mol al(54kg)就需要1mol的al2o3與mol的碳，于是：h材=(h0t)al2o3+(h0t)c=17.41kj/mol 則h材=0.56

30、+kwh/kg al，同理a材=0.3355i(0.56+)=0.3355 300=66.63kwh/h;c 母線損失的能量：a母=3000.18=54kwd 電解槽的熱損失（按差額計）：a損=1008-43.2-484.78-66.63=413.39kw表4-3 能量平衡表能量收入項目kwh/h占比%能量收入項目kwh/h占比 %a電1008100a材66.636.61 a反484.7848.09 a母43.24.29 a損413.3941.01總計1008100總計1008100電解槽的電能消耗率：w=1008=13.32kwh/kg al理論上生產(chǎn)1kg鋁電解槽消耗電能為w=ht0+h材

31、=5.63+0.7=6.33kw電解槽的電能利用率：電能=(6.33/13.32)100%=47.5%4.4電解槽選型及臺數(shù)的計算以產(chǎn)量的衡算目前，國外大型預(yù)焙槽壽命都在2500天以上，而國內(nèi)的平均水平約為1800天以上。本設(shè)計槽壽命為2000天，即2000/3655.48年。電解槽單槽日產(chǎn)量和年產(chǎn)量：選用300ka中間點式下料預(yù)焙陽極鋁電解槽，設(shè)計電流強度為240ka，電流效率為95，則 q日 0.3356it10-3 0.33563000000.9510-324 1817.07（kg / 槽日） q年 1.817365663.21（t / 槽年）電解槽數(shù)量：設(shè)定規(guī)模：100000t/a；鑄

32、造成品實收率：99.2%；設(shè)計槽壽命：2000天，停槽周期：60天；則開動率=2000/(2000+60)100%=97.08%生產(chǎn)槽數(shù)： np =100000/（663.2199.297.08）=156.57臺；取157臺大修槽數(shù) nr生產(chǎn)槽數(shù)/槽壽命157/5.4828.65 臺 取29臺備用槽數(shù) nbk大修槽數(shù)大修時間=1.52960/3657.15 取7臺上式中 k為備用槽系數(shù)，一般為12，本設(shè)計取為1.5；取大修時間為60天?？偛蹟?shù)生產(chǎn)槽數(shù)備用槽數(shù)157+7164 臺產(chǎn)量衡算：系列原始產(chǎn)量：(1) 157臺生產(chǎn)時：663.21157=104123.97 t(2)164臺生產(chǎn)時：663

33、.21164=108766.44 t取鑄造成品實收率為99.2，故157臺槽生產(chǎn)時相應(yīng)的鑄造產(chǎn)品產(chǎn)量為： 104123.9799.2103290.98 t 第五章 設(shè)備選擇51 主要設(shè)備的設(shè)計鋁電解的主要設(shè)備是電解槽,現(xiàn)代鋁工業(yè)有四類電解槽:側(cè)插棒式自焙陽極電解槽；上插棒式自焙陽極電解槽；不連續(xù)式預(yù)焙陽極電解槽；連續(xù)式預(yù)焙陽極電解槽。本設(shè)計中選用中部下料方式不連續(xù)式預(yù)焙陽極電解槽。51.1電解槽設(shè)計參數(shù)的選擇鋁電解槽的設(shè)計參數(shù)主要有電流、面積電流、陽極尺寸、槽膛深度、陽極到槽幫的距離、。陽極棒尺寸、陰極棒及陰極炭塊尺寸等。電流和面積電流如前經(jīng)濟技術(shù)參數(shù)所述，不再贅述。5.1.1.1陽極尺寸陽極

34、尺寸是鋁電解槽一個重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對電解生產(chǎn)有很重要的影響。一般，電解槽容量越大，陽極尺寸也相應(yīng)增大。預(yù)焙槽陽極由陽極塊構(gòu)成，各陽極塊之間有45mm的間隙，行與行之間距離為280-300mm，以使陽極氣體逸出。陽極炭塊尺寸，視陽極排列與組數(shù)不同，長度各異，而寬度一般為500-750mm。炭塊高度一般在550mm，過低則殘極率增大，過高則陽極上的平均電壓增高。本設(shè)計中的陽極尺寸選用1550mm660mm550mm。5.1.1.2槽膛深度槽膛深度主要取決于電解質(zhì)水平、鋁水平及操作工藝制度，一般取400-600mm。槽膛過深，則電解槽造價增加，且生產(chǎn)中熱損失大。因此，槽膛深度通常取400-500mm

35、。但大型預(yù)焙槽由于陽極表面要覆蓋一層氧化鋁作為保溫料，故爐膛深度一般取550-600mm。本設(shè)計中槽膛深度取550mm。5.1.1.3陽極到槽幫的距離陽極到槽幫的距離過大，則熱損失大；過小，則不便操作。對預(yù)焙槽來說，縮小陽極到槽幫的距離可達到減少水平電流從而削弱槽中鋁液凸起的目的。陽極到大面，一般預(yù)焙陽極電解槽的這個距離稍大些，大多取450mm；陽極到小面，一般預(yù)焙陽極電解槽為400。本設(shè)計中采用中間下料的大型預(yù)焙槽，兩排陽極間的中縫寬度為200-250mm，而邊部只進行輔助加工，因此，陽極到槽幫的距離大大減小，一般為300-350mm，個別達到225mm。本設(shè)計中取陽極到大面距離為300mm

36、，陽極到小面距離為225mm。5.1.1.4陽極升降速度及下料點數(shù)本設(shè)計中采用電解槽的升降速度為100mm/min，下料點數(shù)為4個。5.1.1.5鋁母線面積電流鋁電解槽上母線用量很大。一般，中型電解槽約需鋁母線6-9t，而大型電解槽鋁母線用量高達25-35t。母線用量大即斷面增大時，母線上的電耗小，但相應(yīng)的增加投資費用，同時折舊、檢修費用增高，經(jīng)營費用也增高；反之，減少母線用量，則母線上的電耗增加，電費增大。因此，選擇一個合適的母線面積電流使總費用最低。本設(shè)計中電解槽母線用量為35t。5.1.2鋁電解槽結(jié)構(gòu)圖本設(shè)計中電解槽的槽膛尺寸為11700mm3840mm550mm。5.2 輔助設(shè)備選擇5

37、.2.1 多功能機組鋁電解多功能機組具有以下7種功能，即： 1）打殼； 2）往電解槽內(nèi)加氧化鋁； 3）更換陽極； 4）從電解槽內(nèi)用真空抬包抽吸鋁液； 5）吊運母線提升架轉(zhuǎn)接陽極母線； 6）吊運電解槽槽殼； 7）吊運其它重物。5.2.1.1 多功能機組的主要技術(shù)參數(shù)（1）大車跨度：m 22.5 運行速度：m/min 94 電動機功率：kw 112臺（2）液壓系統(tǒng)工作壓力mpa 12油流量l/min 25（3）主小車運行速度m/min 33 運行機構(gòu)電動機功率kw 3.7 司機空回轉(zhuǎn)速度r/min 2-3 對陽極拔力 t 11 陽極拔出速度m/min 4.45 扭轉(zhuǎn)夾具力矩nm 250 料箱裝氧化

38、鋁量m3 4.0 打擊頭沖擊次數(shù)，hz 21 沖擊力 j 85100 (相當于壓縮空氣壓力為0.5mpa時)（4）副小車起重量t 12 運行速度m/min 33/5.5運行電動機功率kw 3.7 提升速度m/min 4.6-4.9提升電動機功率kw 15 固定式起重機：額定起重量t 122臺 最大提升高度m 12提升速度m/min 5提生電動機功率kw 132臺5.2.1.2設(shè)備數(shù)量的計算：（1）換陽極作業(yè)：陽極的消耗速度hc=8.054d陽wc10-3/dc=8.0540.720.95425/1000/0.8=2.93cm/日如陽極高度為54cm，殘極高度為17cm，則每塊陽極使用周期為（54-17）/2.93=13天；換陽極時，每臺槽16組陽極，每換一組陽極需15分鐘，換陽極周期26天/組，則每天每班更換陽極時間為：1441615/13=2658min （2）出鋁作業(yè)：每出一臺槽（包括輔助作業(yè)）所需時間為10分鐘，每槽每1天出一次鋁，則所需出鋁槽時間為： 14410=1440min（3）抬陽極母線作業(yè)：每抬一次需時間30分鐘，每臺槽18天抬陽極母線，每天抬陽極需時間14430/