年產(chǎn)10萬噸鋁電解車間設計畢業(yè)設計;

1、湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學院2014屆畢業(yè)設計（論文、作品）題目： 年產(chǎn)10萬噸鋁的電解車間設計系（部）：冶金材料系專業(yè)班級：冶金1201班姓 名：曹遠鵬指導老師：賈菁華2014 年 10 月 13 日目錄1 緒論 21.1 鋁的物理化學性質(zhì) 21.2 國內(nèi)外鋁工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢 31.2.1 國內(nèi)外電解鋁工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 31.2.2 電解鋁工業(yè)發(fā)展趨勢 42 電解鋁的生產(chǎn)工藝流程選擇 42.1.1 鋁電解工藝流程 42.1.2 鋁電解的原料與輔助原料 52.1.3 電解鋁機理 93主要技術(shù)經(jīng)濟指標計算及設備選擇 112.1 鋁電解槽的簡介 112.2 電解槽的設計及相關計算 122.2.1 單個

2、電解槽日產(chǎn)量計算 122.2.2 電解槽槽數(shù)的確定 122.2.3 備用槽槽數(shù) 122.2.4 電解槽理論噸鋁直流電耗的計算 132.2.5 電流密度 132.3 鋁電解槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 142.3.1 陽極尺寸 142.3.2 槽膛尺寸 152.3.3 槽殼尺寸 152.3.4 陰極炭塊數(shù)目 152.3.5 鋁母線 162.3.6 極距 162.4 鋁電解槽的電壓平衡計算 172.4.1 極化電動勢 172.4.2 電解質(zhì)電壓降 182.4.3 陽極電壓降 192.4.4 陰極電壓降 192.4.5 鋁母線電壓降、陽極效應均攤電壓降 202.4.6 槽平均電壓 20矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。聞創(chuàng)

3、溝燴鐺險愛氌譴凈。殘騖樓諍錈瀨濟溆塹籟。釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。廈礴懇蹣駢時盡繼價騷。煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴?；[叢媽羥為贍僨蟶練淨。預頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。蠟變黲癟報倀鉉錨鈰贅。買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦。貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖。輒嶧陽檉籪癤網(wǎng)儂號澩。堯側(cè)閆繭絳闕絢勵蜆贅。識饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴。恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。鯊腎鑰詘褳

4、鉀溈懼統(tǒng)庫。碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖。21 氬嚕躑竄 貿(mào)懇彈 瀘頷4物料平衡計算 （簡單的冶金計算 4、5 部分可以合在一起） 澩。3.2 Al 2O3 消耗量 21慫闡譜鯪逕導嘯畫長涼。3.3 實際消耗量 21諺辭調(diào)擔鈧諂動禪瀉類。3.4 氟化鹽的消耗量 21嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。3.5 陽極炭塊的消耗 22熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機庫。3.6 物料平衡列表 22 鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。5 電解鋁熱量平衡計算（ 簡單的冶金計算 4、 5 部分可以合在一起） 23 紂憂蔣氳頑薟驅(qū)藥憫騖。4.1 電能收入 23穎芻莖蛺餑億頓裊賠瀧。4.2 能量支出： . 23濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。4.

5、2.1補償電解反應所需的能量. 23銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼。4.2.2補償加熱原料所需的能量. 24擠貼綬電麥結(jié)鈺贖嘵類。4.2.3母線損失的能量 . 24賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈。4.2.4電解槽的熱損失 . 24塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊庫。6 電解鋁車間配置圖 . 25裊樣祕廬廂顫諺鍘羋藺。7 參考文獻 . 27倉嫗盤紲囑瓏詁鍬齊驁。摘要電解槽是鋁生產(chǎn)的主要設備， 本設計在分析了大量文獻資料和實地調(diào)研 的基礎上，對鋁電解槽結(jié)構(gòu)進行了設計計算，對生產(chǎn)電解鋁工藝過程的能量 平衡、電壓平衡、物料平衡進行了計算，以熟悉鋁電解過程，并在計算的基 礎上，對主要設備進行選型和車間平面設計及總圖確定。本文也介紹了鋁的

6、 物理化學性質(zhì)以及鋁電解過程物理化學反應，鋁電解質(zhì)體系的性質(zhì)，電解槽 種類、電解槽的基本結(jié)構(gòu)和其參數(shù)以及電解車間設計的基本原理。設計中選 用現(xiàn)行鋁電解工藝中較為成熟的基本工藝參數(shù)，電流強度選用比較常見的 240KA槽型選用中間下料四點下料預焙槽。電解槽的電流效率為94%車間總生產(chǎn)能力為年產(chǎn) 10 萬噸。 綻萬璉轆娛閬蟶鬮綰瀧。編制設計說明書，繪制電解槽結(jié)構(gòu)圖，車間平面圖和工藝流程圖。關鍵詞： 鋁 電解槽 能量平衡 設計171 緒論1.1 鋁的物理化學性質(zhì)鋁是地球上含量極豐富的金屬元素，其蘊藏量在金屬中居第 2 位。至 19 世紀末，鋁才嶄露頭角，成為在工程應用中具有競爭力的金屬，且風行 一時。

7、航空、建筑、汽車三大重要工業(yè)的發(fā)展，要求材料特性具有鋁及其 合金的獨特性質(zhì)，這就大大有利于這種新金屬。 驍顧燁鶚巰瀆蕪領鱺賻。1854 年，法國化學家德維爾把鋁礬土、木炭、食鹽混合，通入氯氣后 加熱得到 NaCl， AlCl 3 復鹽，再將此復鹽與過量的鈉熔融，得到了金屬鋁。 1886 年，美國的豪爾和法國的海朗特，分別獨立地電解熔融的鋁礬土和冰 晶石的合物制得了金屬鋁，奠定了今天大規(guī)模生產(chǎn)鋁的基礎。 瑣釙濺曖惲錕縞馭 篩涼。近一個世紀的歷史進程中，鋁的產(chǎn)量急劇上升，到了 20 世紀 60 年代， 鋁在全世界有色金屬產(chǎn)量上超過了銅而位居首位，這時的鋁已不單屬于皇 家貴族所有，它的用途涉及到許多

8、領域，大至國防、航天、電力、通訊等， 小到鍋碗瓢盆等生活用品。它的化合物用途非常廣泛 , 不同的含鋁化合物 在醫(yī)藥、有機合成、石油精煉等方面發(fā)揮著重要的作用。 鎦詩涇艷損樓紲鯗餳類。鋁及其合金的優(yōu)良特點是其外觀好、質(zhì)輕，可塑加工性、物理和力學 性能好，以及抗腐蝕性好，從而使鋁及鋁合金在很多應用領域中被認為最 為經(jīng)濟實用。 櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。純凈的鋁是具有 銀白色光澤的金屬，密度為 2.70g/cm 3，熔點為 660.4 C,沸點為2467 C。鋁具有良好的低溫強度特性，強度隨溫度降低而 增大，即使溫度降低到 -198 C鋁仍不變脆。鋁沒有磁性和毒性，具有良好 的延展性、導熱性以及良好的反

9、射光、熱的能力；鋁的導電性僅次于銀和 銅（導電率為銅的 64%，而密度為銅的 30%）。鋁的表面具有高度的反射性。 輻射能、可見光、輻射熱和電波都能有效地被鋁反射，而陽極氧化和深色 陽極氧化的表面可以是反射性的，也可以是吸收性的，拋光后的鋁在很寬 波長范圍內(nèi)具有優(yōu)良的反射性，因而具有各種裝飾用途及具有反射功能性 的用途。 轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應。鋁元素位于元素周期表第三周期第三主族，最外層有3 個電子，容易發(fā)生還原反應失去這 3 個最外層電子形成 +3 價鋁離子。 鋁具有兩性的特點， 遇酸顯堿性，遇堿顯酸性，和堿反應生成偏鋁酸鹽，和酸反應生成鋁鹽。 應指出的是，在常溫下濃硫酸和濃硝酸會使鋁鈍化，

10、但加熱時會發(fā)生復雜 的氧化還原反應；只有鹽酸和稀硫酸等才會跟鋁發(fā)生置換反應，生成鹽并放出氫氣。 峴揚斕滾澗輻灄興渙藺。 鋁在空氣中表面會生成一層致密的氧化鋁保護膜，因此它不易被腐蝕，但能被堿所溶解 1 。鋁粉可燃鐃，和氧氣反應發(fā)出強烈白光，生成氧化鋁； 鋁能與非金屬發(fā)生反應（如硫等）生成鋁的化合物（如Al 2S3 等）；鋁也能與不活動金屬氧化物發(fā)生反應，反應的混合物就是我們熟知的鋁熱劑；此外 鋁還能與鹽溶液發(fā)生置換反應， 能與熱水發(fā)生緩慢的反應生成 Al（OH） 3 并釋 放氫氣等。 詩叁撻訥燼憂毀厲鋨驁。1.2 國內(nèi)外鋁工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢1.2.1 國內(nèi)外電解鋁工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀中國鋁電解技術(shù)自

11、 70年代末引進160KA中間下料預焙槽技術(shù)之后，從 消化國外技術(shù)開始，揭開了中國現(xiàn)代鋁電解技術(shù)發(fā)展的序幕，以鋁電解槽 熱電磁力特性及磁流體數(shù)學模型研究為核心，在工藝、材料、過程控制及 配套技術(shù)等方面展開了廣泛深入的研究工作。九十年代以來，在基礎理論、 大型鋁電解槽開發(fā)現(xiàn)狀及工程應用取得了一系列成果，開發(fā)成功了280KA、320KA以上的特大型電解槽技術(shù)，使鋁工業(yè)的技術(shù)進步令人矚目。大容量電 解槽的開發(fā)，使中國鋁電解技術(shù)總體上達到了國際先進水平，電解鋁工業(yè) 的面貌發(fā)生了根本的改變。 則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧。實際運行方面比較差，由于開發(fā)時間短，對中國大型鋁電解槽在生產(chǎn) 領域的深層次開發(fā)明顯不足，致

12、使實際運行指標的生產(chǎn)指標與國際先進水 平還有較大差距。就中國電解鋁整體生產(chǎn)狀態(tài)而言，能源綜合利用效率要 比國際先進水平低 15%左右，主要表現(xiàn)在：電流效率相差2-3 個百分點；噸鋁電耗相差300-800Kwh ;電解鋁用陽極生產(chǎn)過程能耗相差3kj/t 左右；電解鋁陽極消耗相差 30-60Kg（折合標準煤約75-150Kg）；電槽槽壽命相差1000 天左右；陽極效應系數(shù)國際先進為 0.1 次/天. 槽以下，中國最好水平在 0.3 次/天. 槽左右。 脹鏝彈奧秘孫戶孿釔賻。二十世紀八十年代以來，國外新增電解系列已普遍采用大型預焙陽極電解 槽，系列電流強度普遍達到180350kA，噸鋁直流電耗降至1

13、290014000kw.h.t -1。目前，西方國家用于生產(chǎn)的電解槽最大電流強度為350 kA，且絕大多數(shù)企業(yè)為280320 kA的超大型預焙槽，電流效率平均達到了94%96%。但是大型槽能耗并不低于較小的電解槽， 因為槽內(nèi)混合效率不高而存在氧化鋁濃度梯度，下料比較頻繁，電解質(zhì)的混合長度不高造成的2。鰓躋峽禱紉誦幫廢掃減。1.2.2 電解鋁工業(yè)發(fā)展趨勢目前世界電解鋁工業(yè)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在如下幾個方面 3 ：（1）世界鋁工業(yè)的組織結(jié)構(gòu)日趨規(guī)?；?、集團化、國際化；（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；（ 3）電解鋁生產(chǎn)的指標向著高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽和低污染的方向

14、 加快進步；（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。2 電解鋁的生產(chǎn)工藝流程選擇2.1.1 鋁電解工藝流程現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)，主要采取冰晶石氧化鋁融鹽電解法。直流電流通 入電解槽，在陰極和陽極上起電化學反應。陰極上是鋁液，陽極上是CO2和co氣體。鋁液用真空抬包抽出，經(jīng)過凈化和澄清之后，澆鑄成商品鋁錠， 其質(zhì)量達到 99.5-99.8%A1 。陽極氣體中大約含有 70-80%CO2 和 20-30%CO4 ， 還含有少量氟化物和瀝青煙氣，經(jīng)過凈化之后，廢氣排放入大氣，收回的 氟化物返回電解槽。稟虛嬪賑維嚌妝擴踴糶。22OKV交瀛電排人尢1I預焙陽規(guī)塊 宜流虹 鼠化鹽 斯釁氣化鋁凈

15、化后炳氣鋁錠圖1-1鋁電解生產(chǎn)流程簡圖電解鋁就是通過電解得到的鋁?，F(xiàn)代電解鋁工業(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950C -970 C下，在電解槽內(nèi)的兩極上進行電化學反應，即電解。重要通過這個方程進行：2AI 2Q= 4AI + 3Q to陽極：2OT 4e= 2O2t陰極：AI 3+ + 3e= Al陽簍埡鮭罷規(guī)嗚舊巋錟。2.1.2鋁電解的原料與輔助原料鋁電解所用的原料為氧化鋁，輔助原料為冰晶石、氟化鋁、氟化鈣、 及氟化鎂5 o2.121氧化鋁鋁電解的主體原料是氧化鋁。生產(chǎn)每噸鋁所需的AI2Q量，從理

16、論上計算等 于1889kg。實際上由于工業(yè)氧化鋁大約含有 AI2Q 98.5 %左右，,以及在運輸和 加料過程中有塵散損失，所以生產(chǎn)每噸鋁所需的氧化鋁量大約是 19201940kg 溈氣嘮戇萇鑿鑿櫧諤應。氧化鋁是從鋁土礦、霞石、藍晶石、明磯石、高嶺石、粘土中提取出 來的。我國目前主要采用鋁土礦作為制取氧化鋁的原料。生產(chǎn)氧化鋁的方 法主要有拜爾法、堿石灰燒結(jié)法、拜爾-燒結(jié)聯(lián)合法等，具體采用何種方法， 視鋁土礦的性質(zhì)而定。氧化鋁是當前冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法生產(chǎn)鋁的主體原料。其主要作用是不斷補充電解質(zhì)中的鋁離子(AI 3+)，使其保持適宜范圍的濃度，以保障電解生產(chǎn)持續(xù)、穩(wěn)定地進行鋇嵐縣緱虜榮產(chǎn)濤團

17、藺。a:化學純度的要求工業(yè)氧化鋁中通常含有Al 203 99%左右，其他成分通常為少量的SiO2，F(xiàn)ezQ，TiO2，N&O, CaO和 H2Q 懨俠劑鈍觸樂鷴燼觶騮。在電解過程中，那些電位正于鋁的元素的氧化物性質(zhì)，如SiO2和Fe2Q,都會被鋁還原，還原出來的Si和Fe進入鋁內(nèi)，從而使鋁的品位降低；而那些電位負于鋁的元素的氧化物雜質(zhì)，如NaO和CaO會分解冰晶石，使電解質(zhì)成分發(fā)生改變并增加氟鹽消耗量。P2Q則會降低電流效率。水分進入電解槽內(nèi)不僅可以水解冰晶石造成損失，引起電解質(zhì)成分的改變，而且還要 產(chǎn)生大量的氟化氫，惡化環(huán)境。若水分過大時，還能引起電解質(zhì)爆炸，危 及工人的安全。水分還會增加鋁

18、液中氫含量。所以鋁工業(yè)對氧化鋁的純度 提出了嚴格的要求。謾飽兗爭詣繚鮐癩別濾?，F(xiàn)代鋁電解生產(chǎn)對于氧化鋁的化學組成提出一些新的要求。例如，氧化鋁中各項雜質(zhì)的含量應符合表格1-1條件。 咼鉉們歟謙鴣餃競蕩賺。表1-1NaOV2QSiO2P2QFe2QZnOTd0.04%0.003%0.04%0.003%0.04%0.005%0.005%b:物理性質(zhì)的要求工業(yè)氧化鋁的物理性能，對于保證電解過程正常進行是很重要的 鋁電解生產(chǎn)對氧化鋁的物理性能的要求有：一：吸水性小，防止因水分過多水解冰晶石，甚至引起爆炸；二：溶解度大，避免氧化鋁未及時溶解而生成大量沉淀，且能夠較快 溶解在熔融電解質(zhì)里；三：飛揚損失小，

19、并且能夠嚴密地覆蓋在陽極碳塊上，防止陽極氧化和減少熱量損失；四：有較大的活性及足夠的比表面積，能很好地吸收煙氣中的氟化氫。這些物理性能取決于氧化鋁晶體的晶型、粒度和幾何形狀。根據(jù)氧化 鋁的物理特性不同，可分為三類：砂狀、粉狀和中間狀，安息角大小是其 主要區(qū)分點（見表 1-2 ）?，撝C齷蘄賞組靄縐嚴減。表1-2不同類型氧化鋁的物理特性類型a-Al 203比表面積堆積比重真比重安息角灼減粒度（-44m）%m/gg/cm3g/cm3o%砂狀10 2050 600.95-1.053.7300.9 1.2350.853.735-400.512-20粉狀60 702103.9420.340物料的安息角取決

20、于它的一部分顆粒在另一部分顆粒上滑動或滾動的 阻力。砂型氧化鋁呈球狀，顆粒較粗，平均粒度約為40-50卩m安息角小,只有30。50，其中a AI2Q含量少于20 %, 丫 Al 203含量較高，具有 較大的活性，適于在干法氣體凈化中用來吸附HF氣體，以及在半連續(xù)下料的電解槽上用作原料，故目前得到廣泛應用 o粉型氧化鋁呈片狀和羽毛狀，顆粒較細，安息角大，約為45 , a AI2Q含量達到80%。中間型氧化鋁介乎二者之間。 麩肅鵬鏇轎騍鐐縛縟糶。2.1.2.2鋁電解的輔助原料鋁電解生產(chǎn)中所用的氟化鹽主要是冰晶石和氟化鋁，此外，包括氟化鈣、氟化鎂、氟化鋰8,9等。在鋁電解過程中，生產(chǎn)每噸鋁的氟鹽的消

21、耗指 標是：冰晶石 520kg，氟化鋁1530kg，氟化鋰 23kg。納疇鰻吶鄖禎銣膩鰲 錟。a:冰晶石鋁電解所用的熔劑主要是冰晶石（3NaF-AIF 3）。其中氟化鈉與氟化鋁的分子數(shù)之比稱為冰晶石的分子比。分子比為3時，冰晶石呈中性；分子比小于3時，冰晶石呈酸性；分子比大于 3時，冰晶石呈堿性。風攆鮪貓鐵頻鈣薊糾廟。氧化鋁能夠溶解在由冰晶石和其它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在電解溫度950C左右能夠良好的導電。它的密度大約是 2.1g/cm 3,比同一溫度下鋁液的密度2.3g/cm 3小10%左右，因而能夠保證鋁液跟電解液分層。在這種熔鹽里基本上不含有

22、比鋁 更正電性的元素，從而能夠保證電解產(chǎn)物鋁的質(zhì)量。滅曖駭諗鋅獵輛覯餿藹。天然冰晶石(3NaF-AIF3)產(chǎn)于格陵蘭島，屬于單斜晶系，無色或雪白 色，密度2.95，硬度2.5，熔點1010 C。但是它的儲量有限，遠遠不能滿 足全世界鋁工業(yè)的需要，所以現(xiàn)代鋁工業(yè)采用合成冰晶石，其化學成分見 表1-3。鐒鸝餉飾鐔閌貲諢癱騮。表1 3人造冰晶石的質(zhì)量標準(GB/T 4291-1999)等級化學成分(%不小于雜質(zhì)成分(%不大于FAlNaSiQFe2Qsq2CaORQHbO550 C30min灼減特級5313320.250.050.70.100.020.42.5二級5313320.360.081.20.

23、150.030.53.0三級5313320.400.101.30.200.030.83.0b:氟化鋁工業(yè)氟化鋁是白色極細的粉末，不粘手。在常壓下加熱不熔化，但在 高溫下升華。工業(yè)上廣泛采用氟化鋁來調(diào)整電解質(zhì)成分，既可彌補電解質(zhì) 中氟化鋁的揮發(fā)損失，又可調(diào)節(jié)電解質(zhì)的分子比。國家標準(GB/T4292-1999)如表1-4 。攙閿頻嶸陣澇諗譴隴瀘。表1-4氟化鋁質(zhì)量標準(GB4292-84)等級化學成分，質(zhì)量)FAl SiOz+FeO2SOP2QHO一級613040.41.20.057二級603050.51.50.057.5c:氟化鈣添加氟化鈣一般在焙燒裝爐時用之，其作用是起到礦化劑的作用，可 以

24、加速爐幫的形成，而形成的爐幫有較為堅固。同時可以降低電解質(zhì)的初 晶溫度，從而降低電解溫度。工業(yè)用氟化鈣質(zhì)量要求如表1-5所示。趕輾雛紈顆鋝討躍滿賺。表1-5氟化鈣質(zhì)量標準(YB326-70)成分等級CaF2(%)雜質(zhì)含量(% 不大于不小于SiQ2CaCQH2Q一級980.81.00.5二級971.01.20.5三級951.41.50.5四級932.0一0.5d:氟化鎂氟化鎂(MgF2)跟氟化鈣作用基本相似，但氟化鎂一般在電解槽啟動后期添加，可加速爐幫的形成。槽中添加MgF，其作用比CaF2作用強烈，實踐證明這是一種較好的添加劑。工業(yè)上對氟化鎂質(zhì)量要求如表1-6所示。夾覡閭輇駁檔驀遷錟減。表1

25、- 6氟化鎂質(zhì)量標準等級化學成分(%F Mg2-SC4SiQ2 R 2C3H 2Q一級45321.50.9 2.01.02.2.1電解鋁機理2.2.1.1鋁電解的總反應鋁電解基本原理就是熔體中各種離子在陰、陽兩極上的電化學行為。到目前為止，有關鋁電解基本原理的兩大觀點分別為鋁被鈉置換和與AI+直接放電9。兩種觀點的總反應方程式均為：視絀鏝鴯鱭鐘腦鈞欖糲。2AI2O3 (aq) +3C (s) =4AI (I ) +3CQ (g)2.2.1.2陰極反應NS3AIF6-AI 2Q熔體中Nh是電流的主要傳遞者10，所傳輸?shù)碾娏鬟_到總數(shù)的99%在單一熔鹽電解過程中，傳輸電流的離子往往就是在電極上放電的

26、離子。但是在復雜的熔鹽體系中，如N3AIF6-AI2Q熔體究竟是何種離子放電，則要根據(jù)它們的電極電位來確定。在其他條件相等時陽離子電位愈正， 則在陰極上放電的可能性愈大，反之亦然。因此，在復雜的熔鹽體系電解 過程中，可能出現(xiàn)某種離子傳遞大部分電流，而在電極上放電的卻是另外 的離子的現(xiàn)象。 偽澀錕攢鴛擋緬鐒鈞錠。陰極上析出的金屬主要是鋁，即鋁是一次陰極產(chǎn)物。陰極反應是：3+AI 3+（配離子） + 3e = AINc3AIF6-AI 2O熔體中并不存在單獨的 AI3+，鋁是包含在鋁氧氟配離子中。因此， AI 3+的放電之前首先發(fā)生含鋁配離子的解離，但也不排斥配離子直接 放電的可能性。 緦徑銚膾齲

27、轎級鏜撟廟。2.2.1.3 陽極反應N&AIF6-AI 2Q熔體電解過程是比較復雜的。這是由于陽極與陰極不同， 炭陽極本身也參與電化學反應。鋁電解時的陽極過程是配位陰離子中的氧 離子在炭陽極上放電析出02，然后與炭陽極反應生成CQ。騅憑鈳銘僥張礫陣軫藹陽極反應： 2O2 2- （配離子） + 2C - 4e = 2CO 2113鋁電解槽設計3.1鋁電解槽的簡介鋁電解槽是煉鋁的主要設備。鋁電解槽分為自焙槽、預焙槽和試驗槽。預焙槽的陽極是預先焙制好的，預焙槽中又分為不連續(xù)陽極預焙槽和連續(xù) 陽極預焙槽。不連續(xù)陽極預焙槽又分為邊部下料和中間下料槽。這兩種槽 尤其是后者為目前鋁電解生產(chǎn)的主力槽型。自焙槽

28、的陽極是電解生產(chǎn)中在 電解槽上自行焙燒的，按照陽極棒的插入方式又分為側(cè)插陽極電解槽及上 插陽極電解槽兩種。由于自焙槽能耗大，且電解過程中產(chǎn)生有害的氣體不 便收集而極易造成嚴重的環(huán)境污染，因此這種槽型正在不斷淘汰或被改造 成預焙槽。下面的圖分別為不連續(xù)陽極預焙槽、連續(xù)陽極預焙槽、上插棒陽極自焙槽和側(cè)插陽極電解槽12。癘騏鏨農(nóng)剎貯獄顥幗騮。圖2-1不連續(xù)陽極預焙槽簡圖圖2-2連續(xù)陽極預焙槽簡圖圖2-3上插棒陽極自焙槽簡圖圖2-4側(cè)插陽極電解槽簡圖3.2電解槽的設計及相關計算本設計要求鋁年產(chǎn)量為10萬噸，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)量大的鋁廠，如年產(chǎn)20萬t以上，以大電流

29、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。本次設計選用 240kA電解槽。選 擇中間下料預焙陽極電解槽，設計電流強度為240KA，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。n =( 1000000Q/0.3356lt ) *100 %。本設計中的電流效率為94% 鏃鋝過潤啟婭澗駱讕濾。3.2.1單個電解槽日產(chǎn)量計算電解槽日產(chǎn)原鋁量按下式計算Q=0.3356l n t x 10(t/d ) 12,式中：0.3356 鋁的電化學當量,g/(A h) I 電流強度,A 榿貳軻謄壟該檻鯔塏

30、賽。n電流效率， t 日工作時間,h 則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/ 臺天)3.2.2電解槽槽數(shù)的確定工作槽數(shù)的確定年產(chǎn)鋁10萬噸，則電解槽臺數(shù) N計算如下N=100000Qa式中：Q電解槽日產(chǎn)原鋁量(t/臺天)a年工作天數(shù)定為340天N=100000/1.817 x 340=162 (臺)3.2.3備用槽槽數(shù)備用槽槽數(shù)經(jīng)驗公式13N .n=t2000t 大修一臺槽時間系列生產(chǎn)槽數(shù)臺此處取為30天2000電解槽內(nèi)襯平均壽命N t=162 X 30/2000=2.43 2000n=取為3

31、臺324電解槽理論噸鋁直流電耗的計算W=一V X 103(KW- h/t)0.3356式中：電解槽平均電壓取 4.068VW= 4.068 X 103=12895(KW h/t)0.33563.2.5電流密度電流密度也是鋁電解槽的一個重要技術(shù)參數(shù)，隨著電解槽電流強度的 提高，電流密度降低，電解槽電流密度的降低，單位產(chǎn)品的電耗會隨之下 降，這使鋁的單位成本降低。但同時電流密度的降低又會使電解槽尺寸加 大，使基建投資等費用增加。反映到成本上，又使成本增加。因此，在一 定條件下，應有一個最適宜的電流密度。在此電流密度下，作用相反的因 素互相處于那樣一種條件下，使得生產(chǎn)單位成本達到最低，此時的電流密

32、度即成本電流密度 D。邁蔦賺陘賓唄擷鷦訟湊。式中：D成本方面的經(jīng)濟電流密度A/cm 2A 電解槽及所有附屬設備，建筑物與低平等的費用&電價 元/(KW - h)B電解槽的總電阻包括效應電阻平均值？由于經(jīng)濟電流密度的計算需要大量技術(shù)經(jīng)濟資料，而這些資料的獲得, 總是帶有或大或小的誤差，一定程度上影響到計算結(jié)果的準確性，所以目_2前鋁電解槽設計中多采用經(jīng)驗值，取D = 0.733 A/cm嶁硤貪塒廩袞憫倉華糲。3.3鋁電解槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定2.3.1陽極尺寸陽極尺寸是鋁電解槽一個重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。一般說來，電解槽容量越 大，則陽極尺寸也要越大一些。預焙陽極炭塊尺寸，視陽極排列與組數(shù)不 同，長度各異，而

33、寬度在500-750 mm之間15。在這里，炭塊的高度是一個主要參數(shù)。一般傾向于采用稍高一些的炭塊，綜合各種因子的考慮，本設 計陽極尺寸設計取為該櫟諼碼戇沖巋鳧薩錠。1550mm 660mm 550mm2陽極電流密度：l=0.733 A/cm，則陽極總面積 S陽為：2400002S 陽-327421.555cm0.733每塊陽極的水平截面積S-155X 66=10230 cm 2故需陽極炭塊數(shù)目N-327421.555/10230-32陽極炭塊組由陽極鋁導桿，鋁鋼爆炸焊片，鋼連接板梁，鋼爪頭和陽 極炭塊組成，陽極鋁導桿長2278mm斷面為130mnX 130mm純鋁材質(zhì)，面積電流0.888 A

34、/mml;鋁鋼爆炸焊片其中鋁板規(guī)格165mnX 165mnX 12mm鋼板規(guī)格165mnX 165 mmX 40mm 鋁鋼接觸面積超過98%,抗拉強度不小于 0.8MPa,抗彎強度不小于0.7MPa,耐熱不小于 350 C。鋼連接板梁的鋼板規(guī)格為150mnX 890mnX 16mm面積電流 0.094 A/mnn，共5片組成。鋼爪頭 直徑160mm長280mm爪間距200mm面積電流0.1866A/mm2,每組陽極炭塊 一般共有四個鋼爪頭。劇妝諢貰攖蘋塒呂侖廟。取32塊陽極，分兩行排列，每行 16組炭塊。行間距離要便于安裝下 料裝置，一般采用200 mm300 mm,本次設計取 250 mm,

35、組間距離一般采用40 mm50 mm,本設計取為 50 mm。陽極升降速度和下料點數(shù)選擇經(jīng) 驗數(shù)據(jù)，升降速度 50mm/min,升降距離400mm下料點數(shù)4個。 臠龍訛驄椏業(yè) 變墊羅蘄。3.3.2 槽膛尺寸a: 槽膛深度 槽膛深度主要取決于槽中電解質(zhì)與鋁液水平及操作工藝制度。一般在400mm- 600mm之間，槽膛過深則使電解槽造價增加，生產(chǎn)中熱損失大，因 此，目前不喜歡過深，常采用400mn 500mm而在預焙槽上由于向陽極表面上加一厚層氧化鋁，因此槽膛有些深，故本設計槽膛深度取為550mm鰻順褸悅漚縫囅屜鴨騫。b: 槽膛寬度與長度陽極炭塊至槽膛側(cè)壁之距離(大面) ，一般在 300mm- 5

36、00mm之間，本 設計取500mm陽極炭塊至槽膛側(cè)壁之距離 (小面)稍小些，一般在450mn 550mm之間，本設計取 450mm。所以穡釓虛綹滟鰻絲懷紆濼。槽膛寬度=2X 500+2 X 1550+250=4350mm槽膛長度=16 X 660+15 X 50+2 X 450=12210mm3.3.3 槽殼尺寸電解槽有長方形剛體槽殼，槽外壁和槽底用型鋼加固，槽殼側(cè)壁砌一層炭塊，總厚180mm槽底鋪一層陰極炭塊 (450mm，兩層耐火磚(2X 65mm， 一層氧化鋁粉(40mm和兩層保溫磚(2 X 65mm，以及一層65mm厚的硅酸 鈣特種保溫磚。此外，在槽膛內(nèi)砌一道斜坡。在中部下料預焙槽上，

37、其側(cè)壁保溫層有所減薄，故敷設100mm碳化硅層，以適應生長邊部凝固電解質(zhì)層的需要。 隸誆熒鑒獫綱鴣攣駘賽。槽殼長度 12210+2X180+2X 100=12770mm槽殼寬度 4350+2X 180+2X 100=4910mm 槽殼深度 550+450+40+2 X 65+40+2 X 65+65=1405mm3.3.4陰極炭塊數(shù)目本設計陰極炭塊設計規(guī)格為3250mnX 515mnX 450mm的陰極炭塊。陽極氧化為：新陽極 0，殘極7.6cm，平均氧化 3.8cm。浹繢膩叢著駕驃構(gòu)碭湊。每個陽極實際尺寸：長： 155 2X 3.8=147.4cm寬： 66 2X 3.8=58.4cm扇形參

38、數(shù)： F=1.27+0.6 X 4.0=3.67陽 極 有 效 面 積 ： AA=( 147.4+2 X 3.67 )( 58.4+2 X 3.67 ) X236=366213.87cm 2 鈀燭罰櫝箋礱颼畢韞糲。陰 極 有 效 面 積 ： AC=( 147.4+3 X 3.67 )( 58.4+3 X 3.67 ) X236=395828.57cm 2愜執(zhí)緝蘿紳頎陽灣愴鍵。每塊陰極的水平截面積：325 X 51.5=16738cm陰極炭塊數(shù)N N=囂廠如塊）3.3.5鋁母線鋁電解槽有陽極母線，陰極母線和立柱母線，都用鋁制作。鋁母線有 兩種：壓延母線和鑄造母線，后者通用于高電流的大型電解槽，鋁

39、母線的 電流密度一般為 0.250.40A/mm2。貞廈給鏌綞牽鎮(zhèn)獵鎦龐。電解槽陽極母線斷面為550mnX 200mm面積電流為 0.35A/mm2，陽極母線采用鑄造鋁母線，兩端用軟母線連接，以便陽極母線升降，與立柱母線 的連接采用壓接。嚌鰭級廚脹鑲銦礦毀蘄。立柱母線斷面為 320mnX 480mm 面積電流為 0.38A/mm2。陰極母線也采用鑄造鋁母線，遠電端母線面積電流為0.40A/mm2，近電端陰極母線經(jīng)電解槽槽底沿縱向中心引出，與遠電端母線匯集引入下一臺 電解槽，從而使電流分布均勻，減少了母線用量，減少了大容量電解槽產(chǎn) 生的磁場影響。薊鑌豎牘熒浹醬籬鈴騫。3.3.6極距所謂極距，是指

40、陰陽兩極之間的距離。在工業(yè)電解槽上，浸在電解質(zhì) 里的陽極表面都是陽極工作面，而槽底上的鋁液表面實際上就是陰極工作 面。為便于測量起見，一般取陽極底掌到鋁液鏡面之間的垂直距離作為極 距。工業(yè)電解槽中，提高極距，則電解質(zhì)電壓降有所增大。根據(jù)實測，每 提高極距10mm引起電壓降增加 400mV（旁插棒槽）或 350mV （預焙槽） 因此在工業(yè)生產(chǎn)上宜在取得高電流效率的情況下，保持盡可能低的極距， 以便減少單位鋁產(chǎn)量的電能消耗量。本設計取極距為4.0cm。齡踐硯語蝸鑄轉(zhuǎn)絹攤濼。表2-1鋁電解槽基本尺寸槽殼外形尺寸（mm12770X 4910X1405槽膛尺寸（mm12210X 4350槽膛深度（mm5

41、50陽極組數(shù)（組）32陽極炭塊尺寸（mm1550 X 660 X 550陰極炭塊尺寸（mm3250 X 515 X 450陰極炭塊組數(shù)（組）242278 X 130 X 1304300 X 180 X 65550X 200陽極導桿尺寸（mm 陰極棒尺寸（mm 母線規(guī)格（mm3.4鋁電解槽的電壓平衡計算電解槽電壓平衡計算設計16由下述已知條件計算中間下料預焙陽極電解槽的電壓分配電流：240KA;槽膛：12770 X 550mrX 4350mm陽極：1550mnrK 660mnX 550mm電解質(zhì)溫度：950 C；極距：4.0cm ;電解質(zhì)成分： Al 203 3%, CaF2 5%; LiF 0

42、.04%。分子比取：2.2 o槽電壓是陽極母線至陰極母線之間的電壓降，它由與電解槽并聯(lián)的直 流電壓表來指示。槽電壓的數(shù)據(jù)包括電解槽的極化電壓和各部分導電體的 電壓降值。電解槽內(nèi)有兩類導電體，第一類導體包括鋁，銅，炭；第二類 導體是冰晶石一氧化鋁熔融電解質(zhì)。在工業(yè)生產(chǎn)上，為了核算電解槽的電 能消耗量，通常需要計算電解槽的平均電壓。平均電壓一般是指下列各項 的總和：（1）槽電壓（槽上電壓表讀數(shù)）的平均值；（2）發(fā)生陽極效應的電壓分攤值；（3）槽上電壓表測得范圍以外的系列線路電壓降的分攤值。紳藪瘡顴訝標販繯轅賽。具體包括極化電動勢、陽極電壓降、陰極電壓降、電解質(zhì)電壓降、母 線電壓降、陽極效應均攤電壓

43、。3.4.1極化電動勢極化電動勢是指在實際電解情況下，兩極的不平衡電位之差。它由如 下三部分組成：E極化=E 分解+ n陽極+ n陰極式中：E。分解按鋁電解一次反應所求得的理論分解電壓n陽極陽極過電壓Vn陰極陰極過電壓VE分解隨溫度（T）的變化是：E 分解=1.896 5.725 X 10-4 T （V） 在 T=1223K （950C）時，E 分解=1.196Vn陽極，這是過電壓中占有分量最大的部分，RTn陽極=nF式中i陽極電流密度A/cmi 反應極限電流密度，在 AI2Q濃度在28%（質(zhì)量）時,i =0.0039 0.0085，此處取 i =0.008A/cm2P I =1.00 1.1

44、2，此處取為 1.10。 lv丿1.987 1223, 0.733n陽極=X In1.0仆 23.060.008=433mVn陰極是擴散過電壓，n陰極的半經(jīng)驗式為n陰極= RTt-p5CR1.5Fi陰0.257式中:CR電解質(zhì)的 NaF/AIF3摩爾比2.2，i陰陰極電流密度,i 陰=300000/433758=0.6916A/cm2n 陰極 J987 12231375 - .12522 ln 嗨1.573.0620.257=76.5mVE 極化=E 分解 + n 陽極 + n 陰極=1.196+0.433+0.0765=1.7055V3.4.2電解質(zhì)電壓降一般可由下式取得其中：I :為電流強

45、度，（A） ; S陽：為陽極水平截面積(cm2) ; l:為極距改變值（cm）； X :為電解質(zhì)導電率（歐-1 厘米-1），由電解質(zhì)的分子比和電導率的關系知，分子比為2.2時，電導率為1.798 （歐-1 厘米-1）;K:為校正值，一般取 &則有 飪籮獰屬諾釙誣苧徑凜。V 質(zhì)=1.51V3.4.3陽極電壓降對于預備陽極電解槽，陽極壓降包括陽極導桿與陽極母線接點壓降，陽極導桿壓降，鋼爪壓降，鋁鋼爆炸過度接頭電壓降，鋼爪與陰極炭塊接點（Fe C）電壓降，現(xiàn)依據(jù)經(jīng)驗值取如下數(shù)值：夾具壓接壓降：6mv；鋁導桿壓降：10mv;鋁-鋼爆炸焊片壓降：15mv;鋼牙壓降：50mv;鋼炭接觸 壓降：70mv;陽

46、極炭塊壓降： 200mv;貝U V陽=0.351V。烴斃潛籬賢擔視蠶賁粵。3.4.4陰極電壓降陰極電壓降也稱槽底電壓降。它約占整個電解槽電壓的1015%槽底電壓降主要是受陰極結(jié)構(gòu)的影響，主要包括鋁液一槽底接觸點壓降，槽底 炭塊本身電壓降，炭塊一陰極棒接點壓降，陰極棒上電壓降。陰極電壓降171分項計算，比較復雜，這里采用模擬經(jīng)驗式。鋝豈濤軌躍輪蒔講嫗鍵。V 陰=L 導：、103+ （3.93 X 10-2A?+2.87： 3:）三D 陽S式中 L 導炭塊中的電流導程cmP炭塊電阻系數(shù) 0.00451 cmA槽膛寬度的一半 4350/2=2175mmS澆鑄時陰極鋼棒截面積（65+20） （180+

47、20） =17000mrn:側(cè)部結(jié)殼尺寸，取150mmB炭塊寬度與炭縫之和 515+40=555mmD陽陽極電流密度，為0.733A/mm2電流通過陰極炭塊路徑的長度L導按下式計算：L 導=2.5+0.92H-1.1h+132/b式中 H陰極炭塊高度450mmh陰極棒截面寬度9.5cmb陰極棒截面長度21cm故 L 導=2.5+0.92H-1.1h+132/b=2.5+0.92 X 45-1.1 X 9.5+132/21=39.7cm將選擇與求得的值代入公式中，得到槽底電壓降：V陰=L 導 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擷偽氫鱧轍冪聹諛詼龐。170=0.463V3.4.5鋁母線電壓降、陽極效應均攤電壓降鋁母線包括陰極母線和陽極母線壓降，取0.167VV效應均攤=k(V-V)t2460式中V 1陽極效應時的槽上電壓V 1=30VV平均槽電壓 V K效應系數(shù)次/天 0.3次/天t效應持續(xù)時間3minV效應均攤=kM V)t24 603(30一4)3=0.0163V24 603.4.6槽平均電壓V 平均=1.7055+1.50+0.351+0.463+0.167+0.0163 =4.20V則電解槽平衡電壓表如表2-

49、2所示。表2-2電壓平衡（V）240KA預焙槽E極化1.7005V質(zhì)1.50V陽0.351V陰0.463V效應均攤0.0163母線電壓0.167總計4.204物料平衡計算物料平衡的計算原理，是根據(jù)電解槽物料的進入量和出來量相等的原理計算184.1鋁產(chǎn)量以1h為計算基礎，取平均電流強度為240KA,取平均電流效率為94%計算單槽產(chǎn)量：P=0.3356l n tiX 10-33=0.3356X 240000X 0.94 X 10-=75.71Kg/（槽 h）4.2 Al 2O3消耗量根據(jù)化學反應式 Al 2C3 f Al+3/2O 2計算理論消耗量（按每噸鋁計算）Al2C3消耗量=102X 100

50、0/27 X 2=1888.89Kg/TAl4.3實際消耗量在實際生產(chǎn)中由于運輸、機械、飛濺等損失，實際消耗要大于理論值 的 1.5-6.0%。Al 2C3實際消耗量?。?930Kg/TAlAl 2C3理論每小時單耗為：1888.89 X 75.71 X 10-3=143Kg/槽 h;Al 2C3 實際每小時單耗為:1930 X 75.71 X 10-3=146.12Kg/ 槽 h;Al 2C3 損失量為：146.12-143=3.12Kg/ 槽 h。4.4氟化鹽的消耗量取每噸鋁冰晶石單耗量為：5kg/TAl ;氟化鋁單耗為：25kg/TAl;氟化鎂單耗量：5kg/TAI ;氟化鈣單耗為：4k

51、g/TAI 。蹤飯夢摻釣貞綾賁發(fā)蘄。貝U冰晶石消耗量為：5X 75.71 X 10-3=0.379/槽h;o氟化鋁消耗量為：25 X 75.71 X 10- =1.893kg/槽h;氟化鎂消耗量為：5 X 75.71 X 10-3=0.379kg/槽h;氟化鈣消耗量為：4X 75.71 X 10-3=0.303kg/槽h4.5陽極炭塊的消耗根據(jù)反應方程式Al 2Q+3/2C 2AI+3/2CO 2計算理論碳耗量：18X 1000/27 X 2=333.33kg/TAL由于陽極副反應，實際生產(chǎn)中生成的氣體是CO和CO的混合物，其中CO約占 75%, CO 占 25%。Al 2Q+12/7C 2A

52、I+9/7CO 2+3/7CO理論實際碳耗量為：(12/7 X 12X 75.71)/27 X 2=28.84kg/ 槽 h;生產(chǎn) CQ為：(9/7 X 44 X 75.71)/54=79.85kg/槽 h;生產(chǎn) CO為:(3/7 X 28 X 75.71)/54=16.82kg/槽 h。由于機械等原因，陽極碳塊的實際消耗量比理論值多18%20%根據(jù)國內(nèi)外生產(chǎn)實踐，從優(yōu)化設計的角度考慮，取每噸鋁實際碳耗為：420kg/TAI 。婭鑠機職錮夾簣軒蝕騫。實際單槽每小時碳耗為：420 X 75.71 X 10-3=31.80kg/槽h碳損失為：31.80-28.84=2.96kg/ 槽 h4.6物料平衡列表根據(jù)上述計算結(jié)果編制物料平衡表如表3-1所示表3-1物料平衡表收入支出項目Kg/h項目Kg/h氧化鋁146.12原鋁75.71冰晶石0.379冰晶石0.379氟化鋁1.893氟化鋁1.893氟化鎂0.379氟化鎂0.379氟化鈣0.303氟化鈣0.303陽極炭塊31.80炭損失量2.96CO生成量79.85CO生成量16.28合計180.87氧化鋁損失量3.12合計 180.875電解鋁熱量平衡計算以1小時為計算基礎，取電解溫度為950 C,在計算中以電解溫度作為能量