铝电解车间工艺设计

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主体设备的设计
上世纪60～80年代广为使用的上插阳极棒 自焙阳极电解槽
在上世纪60～70年代，上插棒自焙阳极电解槽在世界范围内得到了很大发展， 其电解槽的最大电流强度达到了170～180kA。 20
主体设备的设计
图3.3 当代的预焙阳极电解槽
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主体设备的设计
国内外铝电解技术现状
国外主要槽型的技术指标
主体设备的设计
平果铝厂
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主体设备的设计
平果320KA铝电解
抚顺230KA铝电解
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主体设备的设计
贵州铝厂200KA
贵州铝厂烟气净化系统
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主体设备的设计
青海200KA铝电解槽
伊川300KA铝电解槽
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主体设备的设计
南山300KA铝电解槽
兰州200KA铝电 解槽
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主体设备的设计
青铜峡200KA铝电解槽
极距
阳极底面与铝液镜面间的距离称为极距。通常情况下极距不小 于4cm。
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技术条件
电解质分子比
电解质中 NaF与 AlF3的物质的量之比称为电解质分子比，简称 分子比。目前分子比多选为2.2~2.8。
效应系数
阳极效应 ( 简称效应 ) 是熔盐电解过程中发生在阳极上的特殊现 象，电解槽发生效应期间其输入功率为平常的数倍，同时电解过 程基本停止，导致电解质过热，电流效率降低，并耗费大量电能， 不利于生产。某一系列电解糟平均每台电解槽每天发生阳极效应 的次数称为效应系数，是电解槽系列是否正常运行的标志。
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冰晶石
氧化铝
氟化盐
一
炭素材料
烟气
废气
阳极气体
残极
直流电解
返回炭素生产线
气体净化
载氟氧化铝
铝液
澄清或净化
铸造 铝锭
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原料
铝电解过程的主要原料—Al2O3 铝电解对其化学纯度要求： 比铝更正电性元素的氧化物（Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等）含量有要求 ； 比铝负电性元素，如碱及碱土金属等，电解时与氟化铝反应，使其损 失，分子比改变； 水分也是有害成分，分解电解质中氟化物，产生HF。 铝电解对其物理性能要求： 具有吸水性小，活性大，粒度适宜，在电解质中溶解性好等，同时要 求能够严密地覆盖阳极，以防止阳极暴露在空气中被氧化，保温性能要好。 这些性质主要取决于氧化铝晶体的晶型、粒度和几何形状。 根据氧化铝的物理性能不同，可分为砂状、粉状和中间状。
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技术条件及技术经济指标的选择
技术条件 电流
电流槽的大小一般称为电流槽的容量，皆以电流大小表示。 电流槽的电流反映了电流槽的单槽产能。 法国彼斯涅公司对年铝产量均为 20 万 t/ 年、分别采用 180kA 与 300kA 两种容量电流槽的方案做了比较 ( 见表 8—3) 。结果表明， 建一个系列240台300 kA的电流槽与建两个系列400台180kA的电 流槽相比，总投资节约15%。
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电解槽的主体结构
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主体设备的设计
交换机
以太网（TCP／IP通信）
计算站
接其他监控、管理微机
接车间、分厂工作站
1#监控微机
M#监控微机
服务器
CANBUS 通信网 电流信号传输线
整 流 车 间
系列电流 检测信号
1号槽控机
2号槽控机
n号槽控机
电解 车间
1号电解槽
2号电解槽
n号电解槽
铝电解智能模糊控制系统硬件配置图

方 晶 格 为 基 础 ， 且 与 Na(1)+,
Na(2)+ 离子分别形成的两个不 同尺寸的体心立方晶格相互 穿透形成属复式晶格；

晶型转变序：
单斜体心晶系 晶系
880℃ 565℃
立方体心
立方晶系 8
氟化盐
氟化盐包括NaF、AlF3、CaF2和LiF等。其作用如表所示
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炭素材料
炭素材料耐高温，抗腐蚀，导电良好，有足够的机械 强度和热稳定性。
国外电解槽
300-320 2475 12.9-13.5
国内200kA 系列
200 1514 13.2-13.3
国内300kA 系列
300 2295 13.1-13.2
电流效率(%)
阳极电流密度(A/cm2) 槽膛面积(m2) 阳极面积(m2) 阳极/槽膛面积比
>94
0.8-0.85 40-45 38 ~0.9
92-93
0.72 40.1 27.7 0.69
92-93
0.733 56.6 40.9 0.723
阴极铝液流速(cm/s)
阴极寿命(d) 阳极净耗(kg/kg)
平均4~5
2500-3000 0.43
最大17
1500-1800 0.44
最大16~17
2000 0.42
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主体设备的设计
国内主要铝厂
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主体设备的设计
②上部结构——承重桁架、阳极提升装置、自动打壳下料装置、阳 极母线和阳极组、集气排烟装置。 ㈠阳极提升装置——有两种方式：一种是采用涡轮蜗杆螺旋起重器 阳极升降机构，另一种是采用滚珠丝杠三角板阳极升降装置。 ㈡自动打壳下料装置——有打壳系统（打壳气缸和打击锤头）、下 料系统（料仓和筒式下料器）。 ㈢阳极母线和阳极组——阳极母线是由两条平行母线和中间进点联 络母线组成。阳极组由：炭块、钢爪、铝导杆组成。
铝电解槽上母线用量很大。一个中型电解槽约需铝母线 6—9t，而大型电解槽 铝母线的用量高达25—35t。
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冶金计算
计算举例:某铝厂电解槽设计电流为160kA，电流效率为 90%，则每台电解槽理论日产原铝量按下式计算：
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冶金计算
一般物料平衡计算
氟平衡计算
A 铝电解槽氟的收入量。 (1) 随氟盐加入。合计吨铝13.42+2.12=15.54kg (2) 净化回收系统回收后随氧化铝加入。合计吨铝 27.2-0.5440.347=26.31kg 上述两者之和即为铝电解槽氟的收入量，共计为吨铝 15.54+26.31=41.85kg
公司或铝厂 Alcan Alcoa Becancour Granges ZSNF Ziar Dubal 槽型 P180 A697 AP-18 P86 HAL230 CD200 电流强度(kA) 180 216 180 150 230 200 电流效率(%) 94.5 94.5 94.9 95.4 96.3 94.0 直流电耗 (kWh/t) 14400 13900 13300 13170 13306 14400
抚顺铝厂——中国最早的铝厂 百色平果铝厂——中铝公司 贵州铝厂 ——中国铝业公司 青海铝厂——中国铝业公司 青铜峡铝业集团公司 云南铝业股份有限公司 包头铝业集团公司 总电投集团旗下的铝厂 兰州铝业股份有限公司和兰州连城铝业有限公司 郑州铝厂——中国铝业公司
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总电压-槽工作电压总和-效应分摊电压总和 V工作 生产槽台数
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技术经济指标
氧化铝单耗
氧化铝消耗总量 氧化铝单耗 铝产量 炭素阳极单耗 炭素材料消耗总量 铝产量
炭阳极单耗
氟化盐单耗
氟化盐单耗 氟化盐消耗总量 铝产量
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主体设备的设计
上世纪60～80年代以前广为使用现仍有少量存在的侧插 阳极棒自焙阳极电解槽
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技术经济指标
电流效率
η=(1000000Q)/(0.3356It)×100% 式中 η—电流效率，% q—每台电解槽的铝产量，t I—系列电流，A t—电解时间，h
-3 IV 10 V平均 W 平均 电能效率 理 100% =2980 电能 -6 W实 0.3356I 10 式中 η—电流效率，% V平均—电解槽的实际电压，V I—电解槽的电流，A τ—电解时间，h 0.3356—铝的电化当量，g/(A•h)
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电流
静电除尘器的除尘效率 可达99%以上，压力损 失小于500Pa。
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技术条件
面积电流
设计与生产中总是取阳极面积电流作为设计与计算的基础。
电解质水平与铝水平
电解质水平是指电解槽中电解质的深度。同样，铝水平是指电 解槽中铝液的深度。电解质水平为 16~22cm ，铝水平为 20~30cm 。
槽膛深度
槽膛深度主要取决于电解质水平、铝水平及操作工艺制度，一般取 400— 600mm。大型预焙阳极电解槽的槽膛深度通常取550—600mm。
阳极到槽帮的距离
阳极到槽帮的距离对电解楷的工作影响很大。距离过大，则热损失大；过小 ，则不便操作。预熔阳极电解槽的这个距离，大多取450mm。
母线面积电流
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辅助生产材料
冰晶石
Na3AlF6因外观酷似冰而得名冰晶石，分为天然冰 晶石和人造冰晶石，仅格陵兰岛有天然冰晶石，一般 用人造冰晶石。 冰晶石生产方法有：酸法、碱法、干法和磷肥副 产法等，其中酸法应用最广。
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冰晶石-氧化铝熔体的结构

冰 晶 石 的 晶 体 结 构
Biblioteka Baidu
Na3AlF6是离子型化合物； 晶格以AlF63-原子团构成的立
槽寿命 (Mo n.)
60-80 70-80 80-100 72 ->65
Lauralco
Aloca Portland
AP-30
A817
319
303 22
96.0
95.0
13000
13600
72-96
60-72
主体设备的设计
国内外工业铝电解技术现状
国内外电解槽的典型参数
参数
电流强度(kA) 日铝产量(kg) 直流电耗(kWh/kg)
生产炭素阳极的原料：骨料和粘接剂两部分
1、骨料----石油焦、沥青焦 对骨料的要求： 灰分含量不能过高，会因带入杂质而影响铝的质量； 硫的含量过高，易使炭素制品开裂，电阻率增高； 钒元素也会增大炭素材料的氧化活性，故其含量不宜太高。 2、粘接剂---沥青 其主要功能是粘结固体骨料，构成具有一定塑性的炭糊，并且在炭糊焦 化过程中渗入骨料之间，使阳极具有足够的机械强度。
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槽平均电压
槽工作电压
V工作 E极化 V阳极 V电解质 V阴极 V母线
Ve k (V效应 V槽 ) t 24 60 V效应－－效应电压； V 槽－－槽电压； k 效应系数； t 效应时间（min）。
效应分摊电压 Ve
槽间电压、厂房外母线分摊电压 V黑
我国现行的阳极炭块质量标准（GB8742—88）
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主体设备的设计
国外现代预焙槽炭阳极质量要求
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主体设备的设计
成型
制备 阳极生块
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主体设备的设计
阳极仓库
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主体设备的设计
吊装阳极生块
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主体设备的设计
碳阳极放置图
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主体设备的设计
碳阳极残极图
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电解槽设计参数的选择
阳极尺寸
预焙阳极炭块尺寸，视阳极排列与组数不同，长度各异，而宽度一般为 500750cm。高度一般在550mm，过低则残极率增大，过高则阳极上的平均电压增高 。
铝电解车间工艺设计
主要内容 概述 技术条件及技术经济指标的选择 主体设备的设计 冶金计算 车间配置
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铝电解的基本知识
1、铝的性质与应用
密度小、导电性好 , 熔点 为 660.37℃ ， 万 能 金 属 绿色、低碳、节能、生态
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一.概述
现代铝工业生产普遍采用冰晶石－ 氧化铝熔盐电解法。电解铝在熔盐电解 槽中进行，以氧化铝为原料，熔融的 Na3AlF6 -Al2O3为电解质。采用炭素材料 作阳极，铝液作阴极，在直流电作用下 进行电化学反应。
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主体设备的设计
图4-2-8
③母线结构——电解槽的母线结构由阳极母线、阴极母线、立柱母 线、软母线一个一个串连在一起的。可分为压延母线、铸造母线两 种。 ④电气绝缘——电解槽绝缘部位较多，槽壳对地，阳极对阴极等。
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主体设备的设计
预焙阳极块生产的基本工艺流程图
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主体设备的设计
我国现行大型预焙槽阳极的主要技术参数
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主体设备的设计
出铝操作（法国300kA槽）
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主体设备的设计
大型预焙电解槽结构—阴极结构 、上部结构、母线结构、电气绝缘 。 ①阴极结构 ——槽壳、内衬砌体。 ⑴槽壳——槽壳为内衬砌体外部的钢壳和加固结构，是生产期间成 装铝液、电解质的容器。分有底槽和无底槽。 ⑵内衬砌体——分为四种材质：碳质内衬材料、耐火材料、保温材 料、粘结材料。 ㈠内衬气体在筑炉过程中自槽壳下部向上依次为：石棉板、硅酸钙 板、保温砖、防渗料、阴极炭块、扎固糊料、侧部炭块。 ㈡侧部炭块种类——|普通材质炭块、碳化硅结合氮化硅。
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槽平均电压
V平 V工作 +V效应 +V黑
V平 E0 a c I(Ra Rc Re Rx )Ve VB
E0 为氧化铝可逆分解电压；
a 为阳极反应过电压； c 为阴极过电压；
Ra 为阳极电阻； Rc 为阴极电阻； Re 为电解质电阻；
Rx 为母线电阻；
Ve 为效应分摊电压； VB 为槽间电压和电解厂房到整流所之间母线电压降的分摊电压之和。