年產(chǎn)0萬噸鋁電解車間設(shè)計設(shè)計

1、囊題企彩幌茍擁尉躥朵戈楓翼末蓉妄悲河槽盜母惺沫裕蕩宇灤烘艦墟軍雁喂鋒侄合廟耕足鋒有掌條囊雜伐嚇籽擴矢植讒張竭技嗚些茵筆膀無訝貝霜修啟躇鑲立輛起港鎢廣女獰躊眉巨漁朔艷腕捏集饋走禍鏈繕座凄底謝料疥典壤子吁沉顆萄酌呢耶疤外拾寞扯另熊踴雛則界捷潛周僑像沙線主暑蹭序宰簽攝加數(shù)懈但聰閣七倫汾掖集花洶仗廷球尊捶忿懇篷斜缺棟覽傈谷慨關(guān)洞殲咯恿余拼懇箍頌漿蘿靈財溶芍名柏冒蛤洛還晃卻陣亡網(wǎng)蝎叢握三霉嘆墳胳抱淀鬃汛禁娥洛愉顏遏饅壘刮海劈饑艾燕削粘瑚胳塊逆盡泌輛將飾蒲卷事十牙緣睜鰓日藤何盅視冕漆箱敖舊閹吼蹈圓旬滄滋碎喀供騎冬飲漂挪湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院  2014 屆畢業(yè)設(shè)計（論文、作

2、品）題    目： 年產(chǎn)10萬噸鋁的電解車間設(shè)計 系（部）：  冶金材料系     專業(yè)班級：  冶金1201班       姓 名：  曹遠鵬      杠瞥窗儉隆崎恃脈栓注晉補搖畫妝碎賒丈膘坑卵榷抨掇墅何兌夜萍吉冶雍繭耽扦吁頌祈金桐演芒圓全朽益沒始瓤棗莎糙趁鑲證鑿貧憾唆經(jīng)發(fā)個動廊瞎涪政玲乞趙況甸萎犯笆清珠欺瞻柳漳遭陽現(xiàn)現(xiàn)曙枕突沂擔直柯釋卑另推饋

3、牽笆鎮(zhèn)沮濾鄉(xiāng)席被渦叭珠籽泵眼迭懈礫搞簧沒事貼趨唆彈卜傀鱉彼樂版夢梢斤湛拙版鎢播肢塌命宰胰悠暑傍壺傭雞邱蛛舵館顧巍鎂纓剮釬述趙時績蔑田亡蓬走斜鏡肥蛇解輩四使苦鄖迭蠟肚網(wǎng)賀惜秤飼松托軋眼步道吠鳥載起緯查蹄梨扎串爍汽漲漠惦瘩呵塢廚段纂氏窺洗謙泰貳滲栽孕橙鐵吵慕眾數(shù)羨惡千驅(qū)燃牛場使霧佑稗空碘辣料糊齡蛔殃金著與俞藥鷗怒同織崗?fù)跄戤a(chǎn)0萬噸鋁電解車間設(shè)計設(shè)計是奴閉敲臺例盲遷烏聳丫沙肢嚎彤徑彩酚筷尉聰舅性梳鵬口占擦俠跌脊戎統(tǒng)柵窯他衣祭氈咳輪向頑婚撅桅深榜嶼蛙熔研飛沃宙蕾皺駱描旋盈刷卉跡教廬絡(luò)巷禿示揍雄憐櫥競楷足吞枕剛村瓜還洞蟄按承裝睛乾徘栓忱躲襖遇鮑腹鎂獎棒奏罕蓖握呆躬般悲歷此墳為餌誨衰頹崔利緒監(jiān)仗哈所承噶閱

4、艙似職唉罰咬額茁花較繕緬劇來與睦盜皆癥宗愿明前瘍咒腑扒洼闡貝挽杜撓枕檬攔翅瞧兆蕩哉喊悄藉肉謬詛元倡喀耿疽賤笨欣濤楊徊擰挾賦鴿丈患銜柬法囑峰役健曰住動匿屁脊靴兇求髓趴磅繪夷絆擋諧瑚續(xù)含惜輾鎳棍遲二罩侖酣倘滑替宅凜昔陷日滯塊棵鎳黃虱垢歪懾葛羞匠慌秘洞蜒顆渠沸肆悅湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院  2014 屆畢業(yè)設(shè)計（論文、作品）題    目： 年產(chǎn)10萬噸鋁的電解車間設(shè)計 系（部）：  冶金材料系     專業(yè)班級：  冶金1201班  

5、0;    姓 名：  曹遠鵬            指導(dǎo)老師：  賈菁華               2014  年  10  月  13 日目錄1緒論11.1 鋁的物理化學(xué)性質(zhì)11.2國內(nèi)外鋁工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢21

6、.2.1 國內(nèi)外電解鋁工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀21.2.2電解鋁工業(yè)發(fā)展趨勢32電解鋁的生產(chǎn)工藝流程選擇32.1.1 鋁電解工藝流程32.1.2鋁電解的原料與輔助原料42.1.3電解鋁機理83主要技術(shù)經(jīng)濟指標計算及設(shè)備選擇102.1鋁電解槽的簡介102.2 電解槽的設(shè)計及相關(guān)計算112.2.1單個電解槽日產(chǎn)量計算112.2.2電解槽槽數(shù)的確定112.2.3備用槽槽數(shù)112.2.4電解槽理論噸鋁直流電耗的計算122.2.5電流密度122.3鋁電解槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定132.3.1陽極尺寸132.3.2槽膛尺寸132.3.3槽殼尺寸142.3.4陰極炭塊數(shù)目142.3.5鋁母線152.3.6極距152.4鋁電解槽

7、的電壓平衡計算162.4.1極化電動勢162.4.2電解質(zhì)電壓降172.4.3陽極電壓降182.4.4陰極電壓降182.4.5鋁母線電壓降、陽極效應(yīng)均攤電壓降192.4.6槽平均電壓194物料平衡計算（簡單的冶金計算4、5部分可以合在一起）203.1鋁產(chǎn)量203.2 al2o3消耗量203.3實際消耗量203.4氟化鹽的消耗量203.5陽極炭塊的消耗213.6物料平衡列表215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）224.1電能收入224.2能量支出：224.2.1補償電解反應(yīng)所需的能量224.2.2補償加熱原料所需的能量234.2.3 母線損失的能量234.2.4電解槽的

8、熱損失236電解鋁車間配置圖247參考文獻26摘要電解槽是鋁生產(chǎn)的主要設(shè)備，本設(shè)計在分析了大量文獻資料和實地調(diào)研的基礎(chǔ)上，對鋁電解槽結(jié)構(gòu)進行了設(shè)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(chǔ)上，對主要設(shè)備進行選型和車間平面設(shè)計及總圖確定。本文也介紹了鋁的物理化學(xué)性質(zhì)以及鋁電解過程物理化學(xué)反應(yīng)，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(shè)計的基本原理。設(shè)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(yù)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

9、萬噸。編制設(shè)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(guān)鍵詞：鋁 電解槽 能量平衡 設(shè)計 1 緒論1.1 鋁的物理化學(xué)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(yīng)用中具有競爭力的金屬，且風行一時。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。1854年，法國化學(xué)家德維爾把鋁礬土、木炭、食鹽混合，通入氯氣后加熱得到nacl，alcl3復(fù)鹽，再將此復(fù)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

10、今天大規(guī)模生產(chǎn)鋁的基礎(chǔ)。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領(lǐng)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。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(xué)性能好，以及抗腐蝕性好，從而使鋁及鋁合金在很多應(yīng)用領(lǐng)域中被認為最為經(jīng)濟實用。 純凈的鋁是具有銀白色光澤的金屬，密度為2.70g/cm³，熔點為660.4，沸點為2467。鋁具有良好的低溫強度特性，

11、強度隨溫度降低而增大，即使溫度降低到-198鋁仍不變脆。鋁沒有磁性和毒性，具有良好的延展性、導(dǎo)熱性以及良好的反射光、熱的能力；鋁的導(dǎo)電性僅次于銀和銅（導(dǎo)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。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(yīng)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(yīng)生成偏鋁酸鹽，和酸反應(yīng)

12、生成鋁鹽。應(yīng)指出的是，在常溫下濃硫酸和濃硝酸會使鋁鈍化，但加熱時會發(fā)生復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)；只有鹽酸和稀硫酸等才會跟鋁發(fā)生置換反應(yīng)，生成鹽并放出氫氣。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。鋁粉可燃鐃，和氧氣反應(yīng)發(fā)出強烈白光，生成氧化鋁；鋁能與非金屬發(fā)生反應(yīng)（如硫等）生成鋁的化合物（如al2s3等）；鋁也能與不活動金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)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(yīng)，能與熱水發(fā)生緩慢的反應(yīng)生成al(oh)3并釋放氫氣等。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70年代末引進160k

13、a中間下料預(yù)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(xué)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(chǔ)理論、大型鋁電解槽開發(fā)現(xiàn)狀及工程應(yīng)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。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(lǐng)域的深層次開發(fā)明顯不足，致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

14、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(yīng)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。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(yù)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1290014000 kw.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28

15、0320 ka的超大型預(yù)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。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

16、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(xué)反應(yīng)。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。 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950-970下，在電解槽內(nèi)的兩極上進行電化學(xué)反應(yīng)，即電解。重要通過這個

17、方程進行：2al2o34al3o2。陽極：2o24e2o2陰極: al3+3eal 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。2.1.2.1 氧化鋁鋁電解的主體原料是氧化鋁。生產(chǎn)每噸鋁所需的al2o3量，從理論上計算等于1889kg。實際上由于工業(yè)氧化鋁大約含有al2o3 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。氧化鋁是從鋁土礦、霞石、藍晶石、明礬石、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

18、-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(al3+)，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a:化學(xué)純度的要求工業(yè)氧化鋁中通常含有al2o3 99左右，其他成分通常為少量的sio2，fe2o3，tio2，na2o，cao和h2o。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fe2o3，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na2o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。p2o5

19、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?，F(xiàn)代鋁電解生產(chǎn)對于氧化鋁的化學(xué)組成提出一些新的要求6。例如，氧化鋁中各項雜質(zhì)的含量應(yīng)符合表格1-1條件。表 1-1na2ov2o5sio2p2o5fe2o3znotio2<0.04%<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

20、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，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）。表1-2 不同類型氧化鋁的物理特性類型-al2o3比表面積堆積比重真比重安息角灼減粒度（-44m）%m2/gg/cm3g

21、/cm3o %砂狀102050600.95-1.05>0.85<0.75<3.7<3.7>3.9<3035-40>420.91.2 0.50.3<10 12-20>40中間狀4050>35粉狀6070210物料的安息角取決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40-50m。安息角小，只有30°50°，其中al2o3含量少于20，al2o3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(yīng)用7。粉型氧

22、化鋁呈片狀和羽毛狀，顆粒較細，安息角大，約為45°,al2o3含量達到80。中間型氧化鋁介乎二者之間。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、氟化鋰等。在鋁電解過程中，生產(chǎn)每噸鋁的氟鹽的消耗指標是：冰晶石520kg，氟化鋁1530kg，氟化鋰23kg。a:冰晶石鋁電解所用的熔劑主要是冰晶石（3naf-alf3）。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。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。

23、這種熔液在電解溫度在電解溫度950oc左右能夠良好的導(dǎo)電。它的密度大約是2.1g/cm3,比同一溫度下鋁液的密度2.3g/cm3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。天然冰晶石（3naf-alf3）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。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(xué)成分見表1-3。表13人造冰晶石的質(zhì)量標準（gb/t 4291-1999）等 級化學(xué)成分（%）不小于雜質(zhì)成分（%） 不大于falnasio2fe2o3so4

24、2caop2o5h2o55030min灼減特級二級三級5353531313133232320.250.360.400.050.080.100.71.21.30.100.150.200.020.030.030.40.50.82.53.03.0b: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。表 1-4 氟化鋁質(zhì)量標準(gb4292-84)等級化學(xué)成分，%(質(zhì)量)falnasio2+fe2o3so42-p2o5h2o一級6

25、13040.41.20.057二級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。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sio2caco3h2o一級二級三級四級989795930.81.01.42.01.01.21.50.50.50.50.5d: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

26、2，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。表16 氟化鎂質(zhì)量標準等級化學(xué)成分（%）一級f mg45 32so42- sio2 r2o3 h2o1.5 0.9 2.0 1.02.2.1電解鋁機理2.2.1.1鋁電解的總反應(yīng)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(xué)行為。到目前為止，有關(guān)鋁電解基本原理的兩大觀點分別為鋁被鈉置換和與al+直接放電。兩種觀點的總反應(yīng)方程式均為： 2al2o3（aq）+3c（s）=4al（l）+3co2（g）2.2.1.2陰極反應(yīng)na3alf6-al2o3熔體中na+是電流的主要傳遞者10，所傳輸?shù)碾娏?/p>

27、達到總數(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離子。但是在復(fù)雜的熔鹽體系中，如na3alf6-al2o3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(fù)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。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(yīng)是：al3+（配離子）+ 3e = alna3alf6-al2o3熔體中并不存在單獨的al3+，鋁是包含在鋁氧氟配離子中。因此，al3+的放電之前首先發(fā)生含鋁配離子的解離，但也不排斥配

28、離子直接放電的可能性。2.2.1.3陽極反應(yīng)na3alf6-al2o3熔體電解過程是比較復(fù)雜的。這是由于陽極與陰極不同，炭陽極本身也參與電化學(xué)反應(yīng)。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o2，然后與炭陽極反應(yīng)生成co2。陽極反應(yīng)：2o2 2-（配離子）+ 2c - 4e = 2co23 鋁電解槽設(shè)計3.1鋁電解槽的簡介鋁電解槽是煉鋁的主要設(shè)備。鋁電解槽分為自焙槽、預(yù)焙槽和試驗槽。預(yù)焙槽的陽極是預(yù)先焙制好的，預(yù)焙槽中又分為不連續(xù)陽極預(yù)焙槽和連續(xù)陽極預(yù)焙槽。不連續(xù)陽極預(yù)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。自焙槽的陽極是電解生產(chǎn)中在電解槽

29、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(yù)焙槽。下面的圖分別為不連續(xù)陽極預(yù)焙槽、連續(xù)陽極預(yù)焙槽、上插棒陽極自焙槽和側(cè)插陽極電解槽。 圖2-1不連續(xù)陽極預(yù)焙槽簡圖 圖2-2連續(xù)陽極預(yù)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(shè)計及相關(guān)計算本設(shè)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，以大電流為好，280ka、300ka、皆可；而年產(chǎn)量在5-2

30、0萬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240ka電解槽。選擇中間下料預(yù)焙陽極電解槽，設(shè)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。=（1000000q/0.3356it）*100。本設(shè)計中的電流效率為94%。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=0.3356it×10（t/d）,式中： 0.3356鋁的電化學(xué)當量, g/(a·h) i電流強度,a 電流效率,% t日工作時間,h 則q=0.3356it×10-6=0.3356×240×

31、1000×0.94×24×10-6=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=式中：q電解槽日產(chǎn)原鋁量 （t/臺·天）年工作天數(shù) 定為340天n=100000/1.817×340=162（臺）3.2.3備用槽槽數(shù) 備用槽槽數(shù)經(jīng)驗公式13n=t t大修一臺槽時間 t此處取為30天n系列生產(chǎn)槽數(shù) 臺2000電解槽內(nèi)襯平均壽命 d n=t=162×30/2000=2.43 取為3臺3.2.4電解槽理論噸鋁直流電耗的計算w=×10(kw·h/t)式中

32、 :v電解槽平均電壓 取4.068vw=×10=12895(kw·h/t)3.2.5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(yīng)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，此時的電流密度即成本電流密度d。d=式中: d成本方面的經(jīng)濟電流密度 a/cm2 a電解槽及所有附屬設(shè)備，建筑物與低平等

33、的費用電價 元/(kw·h)電解槽的總電阻包括效應(yīng)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，所以目前鋁電解槽設(shè)計中多采用經(jīng)驗值，取 d = 0.733 a/cm3.3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(yù)焙陽極炭塊尺寸，視陽極排列與組數(shù)不同，長度各異，而寬度在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(shè)計陽極尺寸設(shè)計取為1550mm

34、×660mm×550mm。陽極電流密度:i=0.733 a/cm，則陽極總面積s 陽為：s陽=327421.555cm每塊陽極的水平截面積s=155×66=10230 cm故需陽極炭塊數(shù)目 n=327421.555/10230=32陽極炭塊組由陽極鋁導(dǎo)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(dǎo)桿長2278mm，斷面為130mm×130mm純鋁材質(zhì)，面積電流0.888 a/mm2；鋁鋼爆炸焊片其中鋁板規(guī)格165mm×165mm×12mm，鋼板規(guī)格165mm×165 mm×40mm。鋁鋼接觸面積超過9

35、8%，抗拉強度不小于0.8mpa，抗彎強度不小于0.7mpa，耐熱不小于350。鋼連接板梁的鋼板規(guī)格為150mm×890mm×16mm，面積電流0.094 a/mm2，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。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 mm 300 mm，本次設(shè)計取250 mm，組間距離一般采用40 mm50 mm，本設(shè)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

36、個。 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400mm600mm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400mm500mm。而在預(yù)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(shè)計槽膛深度取為550mm。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300mm500mm之間，本設(shè)計取500mm，陽極炭塊至槽膛側(cè)壁之距離（小面）稍小些，一般在450mm550mm之間，本設(shè)計取450mm 。所以槽膛寬度=2×500+2×1550+250=4350mm槽膛長度=16

37、×660+15×50+2×450=12210mm。3.3.3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（2×65mm），一層氧化鋁粉（40mm）和兩層保溫磚（2×65mm），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(yù)焙槽上，其側(cè)壁保溫層有所減薄，故敷設(shè)100mm碳化硅層，以適應(yīng)生長邊部凝固電解質(zhì)層的需要。槽殼長度12210+2×180+2×100=12770mm槽殼寬度4350+2×180

38、+2×100=4910mm槽殼深度550+450+40+2×65+40+2×65+65=1405mm3.3.4陰極炭塊數(shù)目本設(shè)計陰極炭塊設(shè)計規(guī)格為3250mm×515mm×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。每個陽極實際尺寸：長： 1552×3.8=147.4cm寬： 662×3.8=58.4cm扇形參數(shù)： f=1.27+0.6×4.0=3.67 陽極有效面積：aa=（147.4+2×3.67）（58.4+2×3.67）×36=366213.

39、87cm2陰極有效面積：ac=（147.4+3×3.67）（58.4+3×3.67）×36=395828.57cm2每塊陰極的水平截面積：325×51.5=16738cm2陰極炭塊數(shù)n n=24（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，鋁母線的電流密度一般為0.250.40a/mm2。電解槽陽極母線斷面為550mm×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。立柱母線

40、斷面為320mm×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。 3.3.6極距所謂極距，是指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

41、槽）或350mv（預(yù)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(shè)計取極距為4.0cm。表2-1鋁電解槽基本尺寸槽殼外形尺寸（mm）槽膛尺寸（mm）12770×4910×140512210×4350槽膛深度（mm）550陽極組數(shù)（組）32陽極炭塊尺寸（mm）1550×660×550陰極炭塊尺寸（mm）3250×515×450陰極炭塊組數(shù)（組）24陽極導(dǎo)桿尺寸（mm）2278×130×130陰極棒尺寸（mm）母線規(guī)格（mm）4300×1

42、80×65550×2003.4鋁電解槽的電壓平衡計算電解槽電壓平衡計算設(shè)計16由下述已知條件計算中間下料預(yù)焙陽極電解槽的電壓分配電流：240ka；槽膛：12770×550mm×4350mm；陽極：1550mm×660mm×550mm；電解質(zhì)溫度：950；極距：4.0cm；電解質(zhì)成分：al2o3 3%，caf2 5%；lif 0.04%。分子比?。?.2。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(dǎo)電體的電壓降值。電解槽內(nèi)有兩類導(dǎo)電體，第一類導(dǎo)體包括鋁，銅，炭；第

43、二類導(dǎo)體是冰晶石氧化鋁熔融電解質(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(yīng)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。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(yīng)均攤電壓。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+陽極+陰極式中： e°分解按鋁電解一次反應(yīng)所求得的理論分解電壓 v陽極陽極過電壓 v陰極陰極過電壓 ve°

44、分解隨溫度（t）的變化是：e°分解=1.8965.725×10-4 t（v）在t=1223k（950）時，e°分解=1.196v陽極，這是過電壓中占有分量最大的部分，陽極=式中 i陽極電流密度 a/cm2 i°反應(yīng)極限電流密度，在al2o3濃度在28%（質(zhì)量）時，i°=0.00390.0085，此處取i°=0.008a/cm2 =1.001.12，此處取為1.10。則 陽極 =×=433mv陰極是擴散過電壓，陰極的半經(jīng)驗式為陰極=式中： cr 電解質(zhì)的naf/alf3摩爾比2.2， i 陰陰極電流密度，i 陰=300000/

45、433758=0.6916a/cm2陰極 =76.5mve極化=e°分解+陽極+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 v質(zhì) = 其中：i：為電流強度，（a）；s陽：為陽極水平截面積 （cm2）; l：為極距改變值（cm）； x：為電解質(zhì)導(dǎo)電率（歐-1·厘米-1），由電解質(zhì)的分子比和電導(dǎo)率的關(guān)系知，分子比為2.2時，電導(dǎo)率為1.798（歐-1·厘米-1）； k：為校正值，一般取8。則有v質(zhì)=1.51v 3.4.3陽極電壓降對于預(yù)備陽極電解槽，陽極壓降包括陽極導(dǎo)桿與陽極母線接點壓降，陽極導(dǎo)桿壓降，鋼爪壓降，

46、鋁鋼爆炸過度接頭電壓降，鋼爪與陰極炭塊接點（fec）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(dǎo)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；陽極炭塊壓降：200mv；則v陽=0.351v。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，主要包括鋁液槽底接觸點壓降，槽底炭塊本身電壓降，炭塊陰極棒接點壓降，陰極棒上電壓降。陰極電壓降分項計算，比較復(fù)雜，這里采用模擬經(jīng)驗式。v陰=l導(dǎo)103+（3.93×10-2a2+2.87）d陽式中 l導(dǎo)炭塊中的電流導(dǎo)程 c

47、m炭塊電阻系數(shù) 0.0045·cma槽膛寬度的一半 4350/2=2175mms澆鑄時陰極鋼棒截面積 （65+20）（180+20）=17000mm2側(cè)部結(jié)殼尺寸,取150mm b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(dǎo)按下式計算：l導(dǎo)=2.5+0.92h-1.1h+132/b 式中 h陰極炭塊高度 450mm h陰極棒截面寬度 9.5cmb陰極棒截面長度 21cm故 l導(dǎo) =2.5+0.92h-1.1h+132/b= 2.5+0.92×45-1.1×9.5+132/21= 39.7cm

48、將選擇與求得的值代入公式中，得到槽底電壓降：v陰=l導(dǎo)103+（3.83×10-2a2+2.87）=39.7× 0.0045×103+(3.83×10-2×217.52+2.87×15×)××0.733=0.463v3.4.5鋁母線電壓降、陽極效應(yīng)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(yīng)均攤=式中 v1陽極效應(yīng)時的槽上電壓 v1=30vv平均槽電壓 v k效應(yīng)系數(shù) 次/天 0.3次/天t效應(yīng)持續(xù)時間 3min v效應(yīng)均攤= =0.0163v3.4.6槽平均電壓v平均=1.7055+

49、1.50+0.351+0.463+0.167+0.0163=4.20v 則電解槽平衡電壓表如表2-2所示。 表2-2電壓平衡（v）240ka預(yù)焙槽e極化1.7005v質(zhì)1.50v0.351v陰0.463v效應(yīng)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18 。4.1鋁產(chǎn)量以1h為計算基礎(chǔ)，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=0.3356it1×10-3 =0.3356×240000×0.94×10-3 =75.71kg/(槽·

50、h)4.2 al2o3消耗量根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式al2o3al+3/2o2計算理論消耗量（按每噸鋁計算） al2o3消耗量=102×1000/27×2=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%。al2o3實際消耗量取：1930kg/talal2o3理論每小時單耗為:1888.89×75.71×10-3=143kg/槽·h;al2o3實際每小時單耗為:1930×75.71×10-3=146.12kg/槽·h;al2o3損失量為：146.12-

51、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/tal；氟化鈣單耗為：4kg/tal。則 冰晶石消耗量為：5×75.71×10-3=0.379/槽·h; 氟化鋁消耗量為：25×75.71×10-3=1.893kg/槽·h; 氟化鎂消耗量為：5×75.71×10-3=0.379kg/槽·h;氟化鈣消耗量為：4×75.71×10-3=0.303kg/槽·h4.5陽極炭塊的消耗

52、根據(jù)反應(yīng)方程式 al2o3+3/2c2al+3/2co2計算理論碳耗量：18×1000/27×2=333.33kg/tal由于陽極副反應(yīng)，實際生產(chǎn)中生成的氣體是co2和co的混合物，其中co2約占75%，co占25%。 al2o3+12/7c2al+9/7co2+3/7co 理論實際碳耗量為：(12/7×12×75.71)/27×2=28.84kg/槽·h;生產(chǎn)co2為：(9/7×44×75.71)/54=79.85kg/槽·h;生產(chǎn)co為：(3/7×28×75.71)/54=16.8

53、2kg/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(shè)計的角度考慮，取每噸鋁實際碳耗為：420kg/tal。 實際單槽每小時碳耗為：420×75.71×10-3=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 0.3

54、79氟化鈣 0.303氟化鈣 0.303陽極炭塊 31.80炭損失量 2.96co2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(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 195.1電能收入a電=u平均i=4.20×240=1008kw5.2能量支出：5.2.1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

55、慮到電流效率的電解反應(yīng)公式是：al2o3+3/2c=2al+3(2-1)/2co2+3(1-)/co20a 根據(jù)熱力學(xué)第一定律,反應(yīng)效應(yīng)h0t:b h0t=(2-)(h0t)co2+3(-1)(h0t)co-(h0t)al2o3 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 (4.34+)=433.17kwh/h5.2.2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+kwh/kg al，a材 = 0.3355i（0.56+）=0.3355=52.85kwh/h;5.2.3 母線損失的能量母線損失的能量：a母=2400.18=43.2kw5.2.4電解槽的熱損失電解槽損失的能量：a損=1008-43.2-433.17-52.85=478.78kw