年產(chǎn)10萬噸鋁的電解車間設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文

PAGE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

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指導(dǎo)老師：

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 21.2.1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(jī)理 83主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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 203.2Al2O3消耗量 203.3實(shí)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(bǔ)償電解反應(yīng)所需的能量 224.2.2補(bǔ)償加熱原料所需的能量 234.2.3母線損失的能量 234.2.4電解槽的熱損失 236電解鋁車間配置圖 247參考文獻(xiàn) 26PAGE27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(xiàn)資料和實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，對鋁電解槽結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)度選用比較常見的240KA，槽型選用中間下料四點(diǎn)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(yùn)藏量在金屬中居第2位。至19世紀(jì)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(fēng)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(dú)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(dú)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(chǔ)。近一個世紀(jì)的歷史進(jìn)程中，鋁的產(chǎn)量急劇上升，到了20世紀(jì)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(jī)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(diǎn)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(rèn)為最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。純凈的鋁是具有銀白色光澤的金屬，密度為2.70g/cm3，熔點(diǎn)為660.4℃，沸點(diǎn)為2467℃。鋁具有良好的低溫強(qiáng)度特性，強(qiáng)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(diǎn)，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)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(hù)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(qiáng)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(jìn)160KA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(jìn)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(dá)到了國際先進(jìn)水平，電解鋁工業(yè)的面貌發(fā)生了根本的改變。實(shí)際運(yùn)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(shí)際運(yùn)行指標(biāo)的生產(chǎn)指標(biāo)與國際先進(jìn)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(jìn)水平低15%左右，主要表現(xiàn)在：電流效率相差2-3個百分點(diǎn)；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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jì)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(qiáng)度普遍達(dá)到180～350kA，噸鋁直流電耗降至12900～14000kw.h.t-1。目前，西方國家用于生產(chǎn)的電解槽最大電流強(qiáng)度為350kA，且絕大多數(shù)企業(yè)為280～320kA的超大型預(yù)焙槽，電流效率平均達(dá)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(tuán)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(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；（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(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(dá)到99.5-99.8%A1。陽極氣體中大約含有70-80%CO2和20-30%CO[4]，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(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)，即電解。

重要通過這個方程進(jìn)行：2Al2O3＝4Al＋3O2↑。

陽極：2O2ˉ－4e＝2O2↑

陰極:Al3+＋3e＝Al2.1.2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]。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(shí)際上由于工業(yè)氧化鋁大約含有Al2O398.5％左右，，以及在運(yùn)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1920～1940kg。氧化鋁是從鋁土礦、霞石、藍(lán)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-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(dāng)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(bǔ)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(jìn)行a:化學(xué)純度的要求工業(yè)氧化鋁中通常含有Al2O399％左右，其他成分通常為少量的SiO2，F(xiàn)e2O3，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(jìn)入鋁內(nèi)，從而使鋁的品位降低；而那些電位負(fù)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則會降低電流效率。水分進(jìn)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(yán)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常進(jìn)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(yáng)損失小，并且能夠嚴(yán)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(diǎn)（見表1-2）。表1-2不同類型氧化鋁的物理特性類型α-Al2O3比表面積堆積比重真比重安息角灼減粒度（-44μm）%m2/gg/cm3g/cm3o%%砂狀10～2050～600.95-1.05>0.85<0.75<3.7<3.7>3.9<3035-40>420.9～1.20.50.3<1012-20>40中間狀40～50>35粉狀60～702～10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40-50μm。安息角小，只有30°～50°，其中α－Al2O3含量少于20％，γ－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]。粉型氧化鋁呈片狀和羽毛狀，顆粒較細(xì)，安息角大，約為45°,α－Al2O3含量達(dá)到80％。中間型氧化鋁介乎二者之間。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(biāo)是：冰晶石5～20kg，氟化鋁15～30kg，氟化鋰2～3kg。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。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(diǎn)1010℃。但是它的儲量有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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1－3人造冰晶石的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T4291-1999）等級化學(xué)成分（%）不小于雜質(zhì)成分（%）不大于FAlNaSiO2Fe2O3SO42—CaOP2O5H2O550℃30min灼減特級二級三級5353531313133232320.250.360.400.050.050.200.020.030.02.53.03.0b:氟化鋁工業(yè)氟化鋁是白色極細(xì)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(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)(GB/T4292-1999)如表1-4。表1-4氟化鋁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB4292-84)等級化學(xué)成分，%(質(zhì)量)F≮Al≮Na≯SiO2+Fe2O3≯SO42-≯P2O5≯H2O≯一級613057二級603057.5c: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(biāo)準(zhǔn)(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989795930.81.01.42.01.01.21.5—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MgF2，其作用比CaF2作用強(qiáng)烈，實(shí)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1－6氟化鎂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級化學(xué)成分（%）≥≤一級FMg4532SO42-SiO2R2O3H2O1.50.92.01.02.2.1電解鋁機(jī)理鋁電解的總反應(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(diǎn)分別為鋁被鈉置換和與Al+直接放電。兩種觀點(diǎn)的總反應(yīng)方程式均為：2Al2O3（aq）+3C（s）=4Al（l）+3CO2（g）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)碾娏鬟_(dá)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(dú)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，但也不排斥配離子直接放電的可能性。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)：2O22-（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(yán)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5-20萬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240kA電解槽。選擇中間下料預(yù)焙陽極電解槽，設(shè)計電流強(qiáng)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。η=（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=0.3356Iηt×10（t/d）,式中：0.3356———鋁的電化學(xué)當(dāng)量,g/(A·h)I———電流強(qiáng)度,Aη———電流效率,%t———日工作時間,h則Q=0.3356Iηt×10-6=0.3356×240×1000×0.94×24×10-6=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）α———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[13]n=tt———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dn=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: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(qiáng)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(fèi)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(dá)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(jì)電流密度A/cm2A———電解槽及所有附屬設(shè)備，建筑物與低平等的費(fèi)用ε———電價元/(KW·h)β———電解槽的總電阻包括效應(yīng)電阻平均值?由于經(jīng)濟(jì)電流密度的計算需要大量技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)確性，所以目前鋁電解槽設(shè)計中多采用經(jīng)驗值，取D=0.733A/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500-750mm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×660mm×550mm。陽極電流密度:I=0.733A/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=10230cm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0.888A/mm2；鋁鋼爆炸焊片其中鋁板規(guī)格165mm×165mm×12mm，鋼板規(guī)格165mm×165mm×40mm。鋁鋼接觸面積超過98%，抗拉強(qiáng)度不小于0.8MPa，抗彎強(qiáng)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0.094A/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200mm～300mm，本次設(shè)計取250mm，組間距離一般采用40mm～50mm，本設(shè)計取為50mm。陽極升降速度和下料點(diǎn)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(diǎn)數(shù)4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400mm～500mm。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300mm～500mm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450mm～550mm之間，本設(shè)計取450mm。所以槽膛寬度=2×500+2×1550+250=4350mm槽膛長度=16×660+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+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(shí)際尺寸：長：155－2×3.8=147.4cm寬：66－2×3.8=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=366213.87cm2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)NN==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0.25～0.40A/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(yuǎn)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(yuǎn)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(shí)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(shí)測，每提高極距10mm，引起電壓降增加400mV（旁插棒槽）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）4300×180×65550×2003.4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：Al2O33%，CaF25%；LiF0.04%。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?jǐn)傊?；?）槽上電壓表測得范圍以外的系列線路電壓降的分?jǐn)傊怠＞唧w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(shí)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+η陽極+η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Vη陽極———陽極過電壓Vη陰極———陰極過電壓VE°分解隨溫度（T）的變化是：E°分解=1.896－5.725×10-4T（V）在T=1223K（950℃）時，E°分解=1.196Vη陽極，這是過電壓中占有分量最大的部分，η陽極=式中i———陽極電流密度A/cm2i°——反應(yīng)極限電流密度，在Al2O3濃度在2～8%（質(zhì)量）時，i°=0.0039～0.0085，此處取i°=0.008A/cm2=1.00～1.12，此處取為1.10。則η陽極=×㏑=433mVη陰極是擴(kuò)散過電壓，η陰極的半經(jīng)驗式為η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=300000/433758=0.6916A/cm2η陰極=㏑=76.5mVE極化=E°分解+η陽極+η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(qiáng)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)=1.51V3.4.3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(diǎn)壓降，陽極導(dǎo)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(diǎn)（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(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10～15%，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(diǎn)壓降，槽底炭塊本身電壓降，炭塊—陰極棒接點(diǎn)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cmρ———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(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450mmh———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VK———效應(yīng)系數(shù)次/天0.3次/天t———效應(yīng)持續(xù)時間3minV效應(yīng)均攤===0.0163V3.4.6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2-2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(jìn)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(qiáng)度為240KA,取平均電流效率為94%，計算單槽產(chǎn)量：P=0.3356Iηt1×10-3=0.3356×240000×0.94×10-3=75.71Kg/(槽·h)4.2Al2O3消耗量根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式Al2O3→Al+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(shí)際消耗量在實(shí)際生產(chǎn)中由于運(yùn)輸、機(jī)械、飛濺等損失，實(shí)際消耗要大于理論值的1.5-6.0%。Al2O3實(shí)際消耗量?。?930Kg/TAlAl2O3理論每小時單耗為:1888.89×75.71×10-3=143Kg/槽·h;Al2O3實(shí)際每小時單耗為:1930×75.71×10-3=146.12Kg/槽·h;Al2O3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/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陽極炭塊的消耗根據(jù)反應(yīng)方程式Al2O3+3/2C→2Al+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(shí)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+12/7C→2Al+9/7CO2+3/7CO理論實(shí)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=16.82kg/槽·h。由于機(jī)械等原因，陽極碳塊的實(shí)際消耗量比理論值多18%～20%，根據(jù)國內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)踐，從優(yōu)化設(shè)計的角度考慮，取每噸鋁實(shí)際碳耗為：420kg/TAl。實(shí)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0.379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(zhǔn)，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[19]5.1電能收入A電=U平均I=4.20×240=1008kw5.2能量支出：5.2.1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)公式是：Al2O3+3/2ηC=2Al+3(2η-1)/2ηCO2+3(1-η)/ηCO[20]根據(jù)熱力學(xué)第一定律,反應(yīng)效應(yīng)ΔH0T:ΔH0T=[QUOTE(2-QUOTE)(ΔH0T)CO2+3(QUOTE-1)(ΔH0T)CO-(ΔH0T)Al2O3]kwh/kgAlΔH0TCO2、ΔH0TCO、ΔH0TAl2O3——CO2、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：ΔH0T=(201.33+)QUOTE=4.34+kwh/kgAl因此,在單位時間內(nèi),鋁的產(chǎn)量為0.3355Iηkg時,則補(bǔ)償電解反應(yīng)的熱效應(yīng)的能量A反:A反=0.3355Iη(ΔH0T)=0.3355Iη(4.34+)=0.3355(4.34+)=433.17kwh/h5.2.2補(bǔ)償加熱原料所