鋁電解生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)

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(qiáng)廢物料廢鋁的無害化和資源化處理, 實(shí)現(xiàn)資源再生和循環(huán)利用, 進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和擴(kuò)大產(chǎn)品種類?，F(xiàn)代化預(yù)焙電解槽的電流強(qiáng)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(qiáng)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(jì)將開展ra500電解槽試驗(yàn)。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(jì)技術(shù)指標(biāo): 電流效率93%95%, 直流電耗1300013500 kwh/t(al); 最先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)電流效率可達(dá)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(jì)參數(shù)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。法國彼斯涅ap系列電解技術(shù)被公認(rèn)為代表當(dāng)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(diǎn):(1)陽極電流密

3、度較高, 可達(dá)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(dá)95%96%, 電耗可低到13000 kwh/t(al), 槽壽命達(dá)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(jì)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(jì)質(zhì)量高, 槽電解運(yùn)行穩(wěn)定性好, 電流效率可達(dá)95%96%。應(yīng)用了半連續(xù)傳感器實(shí)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。控制水平先進(jìn), 控制效應(yīng)系數(shù)向零目標(biāo)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(shí)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(jì)參數(shù)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(shí)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(dá)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(yàn), 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(yuǎn)課題還在繼續(xù)進(jìn)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)模化、集團(tuán)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(jì)劃在委內(nèi)瑞拉建設(shè)一個年產(chǎn)能達(dá)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(dá)30 萬噸的電解鋁廠及相關(guān)項(xiàng)目。年產(chǎn)50萬噸電解鋁的海灣巴林鋁廠擬擴(kuò)產(chǎn)到70萬噸規(guī)模。擴(kuò)大產(chǎn)能的目的是節(jié)約成本，提高勞動生產(chǎn)率，加強(qiáng)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(jì)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(dāng)今電解鋁企業(yè)技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)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(jì)算機(jī)應(yīng)用、機(jī)械化和自動化 程度以及煙氣治理等方面都有了較大的進(jìn)步變化。（3）電解鋁生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)向著高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽和低污染的方向加快進(jìn)步西方國家先進(jìn)電解鋁技術(shù)的發(fā)展，體現(xiàn)在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的先進(jìn)性上：a、槽型大，電流強(qiáng)度達(dá)到300ka以上；b、電流效率高，一般達(dá)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(fèi)占據(jù)相當(dāng)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(fèi)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(dá)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(dāng)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(qiáng)大的直流電后，在950-970下，在電解槽內(nèi)的兩極上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，既電解。化學(xué)反應(yīng)主要通過這個方程進(jìn)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?xì)怏w，其中含有一定量的氟化氫等有害氣體和固體粉塵。為保護(hù)環(huán)境和人類健康需對陽極氣體進(jìn)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(jìn)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(dāng)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(diǎn)2050，沸點(diǎn)

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(bǔ)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(jìn)行。為了取得良好的生產(chǎn)指標(biāo)，對氧化鋁的要求是非常嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)。表1-1 國產(chǎn)氧

12、化鋁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（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(yáng)損失要小，并且能夠嚴(yán)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(shí)際上由于工業(yè)氧化鋁中含al2o3 98.5%左右，且在運(yùn)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(jì)技術(shù)指標(biāo)選擇3.1 技術(shù)條件正常生產(chǎn)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(biāo)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(qiáng)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(jì)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(qiáng)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)中分子比為2.2-2.

17、5。3.1.6電解溫度為電解能正常進(jìn)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(jì)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(jì)中效應(yīng)系數(shù)0.3次/（槽日）。3.2技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)鋁電解的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(xiàng)非常重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指

18、標(biāo)。目前電解煉鋁的電流效率一般在88%-95%本設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)中的電解槽技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)現(xiàn)列于下:序號指標(biāo)名稱單位數(shù)量1電流強(qiáng)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(jì)指標(biāo) 第四章 冶金計(jì)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(jì)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?jǐn)倝航?；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(shí)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(qiáng)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(dān)壓降： 陽極效應(yīng)分擔(dān)壓降可按下式進(jìn)行計(jì)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)4.204.2 物料平衡計(jì)算以1小時為計(jì)算基礎(chǔ)，平均電流強(qiáng)度取300

24、ka，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(shí)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 = 86.010.0

25、01=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?jǐn)?shù)：當(dāng)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(shí)際炭耗量為 450kg/tal 實(shí)際炭耗量=45086.0

26、055751000=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(xiàng)目/h/天/年%項(xiàng)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0.481

27、1.5242040.22 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(jì)220.2955253.81917693100合計(jì)218.9195007.241208193100平衡差額0.01246.5670950004.3 能量平衡以

28、1小時為計(jì)算基礎(chǔ)，取電解溫度為950，在計(jì)算中以電解溫度作為能量平衡的溫度基準(zhǔn)，并以電解槽整體作為計(jì)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(bǔ)償電解反應(yīng)所需的能量當(dāng)電解生產(chǎn)的電流效率為100%時，其補(bǔ)償反應(yīng)熱效應(yīng)的能量是5.63kwh/kgal，但電流效率不可能達(dá)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)al2o3k

29、wh/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(bǔ)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(bǔ)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(jì)）：a損=1008-43.2-484.78-66.63=413.39kw表4-3 能量平衡表能量收入項(xiàng)目kwh/h占比%能量收入項(xiàng)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(jì)1008100總計(jì)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(jì)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(jì)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(diǎn)式下料預(yù)焙陽極鋁電解槽，設(shè)計(jì)電流強(qiáng)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；鑄造

32、成品實(shí)收率：99.2%；設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(jì)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(jì)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(jì)參數(shù)的選擇鋁電解槽的設(shè)計(jì)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(jì)技術(shù)參數(shù)所述，不再贅述。5.1.1.1陽極尺寸陽極尺

34、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(jì)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(jì)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(dá)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(jì)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(jìn)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(dá)到225mm。本設(shè)計(jì)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(diǎn)數(shù)本設(shè)計(jì)中采用電解槽的升降速度為100mm/min，下料點(diǎn)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(dá)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(fèi)用，同時折舊、檢修費(fèi)用增高，經(jīng)營費(fèi)用也增高；反之，減少母線用量，則母線上的電耗增加，電費(fèi)增大。因此，選擇一個合適的母線面積電流使總費(fèi)用最低。本設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)組鋁電解多功能機(jī)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(yùn)母線提升架轉(zhuǎn)接陽極母線； 6）吊運(yùn)電解槽槽殼； 7）吊運(yùn)其它重物。5.2.1.1 多功能機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)（1）大車跨度：m 22.5 運(yùn)行速度：m/min 94 電動機(jī)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(yùn)行速度m/min 33 運(yùn)行機(jī)構(gòu)電動機(jī)功率kw 3.7 司機(jī)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 料箱裝氧化鋁

38、量m3 4.0 打擊頭沖擊次數(shù)，hz 21 沖擊力 j 85100 (相當(dāng)于壓縮空氣壓力為0.5mpa時)（4）副小車起重量t 12 運(yùn)行速度m/min 33/5.5運(yùn)行電動機(jī)功率kw 3.7 提升速度m/min 4.6-4.9提升電動機(jī)功率kw 15 固定式起重機(jī)：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(jī)功率kw 132臺5.2.1.2設(shè)備數(shù)量的計(jì)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14430/18