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1、1 年产 20 万吨铝锭 300kA 预焙阳极铝电解车间设计 摘要摘要 当今的铝电解工业正在向着槽容量大型化发展。大型预焙阳极铝电解槽上通过的 强大电流会产生强大的磁场,磁场与电解质及铝液中的电流相互作用产生强大的电磁力,使 铝液发生循环流动。这不仅会降低电流效率,也给生产操作带来一定困难。铝液流场分 布的好坏对电流效率、吨铝电耗、阳极消耗、槽寿命、阳极效应系数等生产指标有着 重要影响。因此,对铝液流场进行仿真具有重要的研究意义和实用价值。本文针对不同 槽膛内形计算出相应的铝液流场。总结归纳 300kA 铝电解槽铝液流场的分布规律,并 分析产生各种结果的原因。这些结论可以为铝电解槽的生产操作和
2、优化设计提供理论 依据。 关键词：300kA；铝电解槽；双阳极；大面五点进电； 2 The design of 300 kA pre-baked anode electrolytic work shop with an annual output of 200,000 tons of aluminum ingots Abstract The electrolytic aluminum industry is towards the development of large scale tank capacity. Large scale prebaked anode aluminum elec
3、trolytic tank by the strong currents will generate a strong magnetic field, magnetic field and the electrolyte and aluminum liquid in the current interactions generate powerful electromagnetic force, so that the aluminum liquid circulating flow. This will not only reduce the current efficiency, but
4、also bring some difficulties. The quality of aluminum liquid flow field distribution on current efficiency, energy consumption, tons of aluminum anode consumption, service life of the cell, the anode effect coefficient has an important effect on the production index. Therefore,it is very significant
5、 to research Aluminum liquid flow by simulating. According to different slot bore shape to calculate the flow field of molten aluminum to summary of 300kA aluminum electrolytic aluminum liquid flow distribution and analyse various results. These conclusions can provide aluminum electrolyzer producti
6、on operation and theoretical basis for optimal design. Key words: 300kA；aluminium electrolysis cell；Double anode；Bedding face five into electricity 3 目 录 摘要1 ABSTRACT.2 1 绪论1 1.1 铝电解工业的概述.1 1.2 现代铝电解技术.1 1.3 国内外铝工业现状与发展3 1.3.1 国外铝工业的现状.3 1.3.2 我国铝工业的发展状况.5 1.4 铝电解的发展趋势14 1.4.1 世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际
7、化.14 1.4.2 铝电解槽日趋大型化或超大型化，其科技含量、智能化程度越来越高.15 1.4.3 电解铝生产的技术经济指标向着高产、优质、低耗、长寿和低污染的方向 加快进步.15 1.4.4 世界铝工业向电力充裕廉价、铝土矿资源丰富的地区转移.15 2 厂址的选择与论证17 2.1 工业布局问题17 2.2 原材料供应及交通运输条件17 2.3 供水、供电条件17 2.4 环境保护和节约用地问题17 2.5 厂址的工程地质及水文地质条件18 2.6 厂址的协作条件18 3. 工艺设计.19 3.1 电解铝生产19 3.1.1 铝电解的基本原理.19 3.1.2 铝电解的生产系统、工艺流程.
8、20 3.1.3 电解铝生产原料.21 3.1.4 主要技术经济指标的选择论证.25 3.2 槽型的选择论证26 3.3 主要技术条件及技术经济指标的选择论证27 3.3.1 电解质成分.27 3.3.2 电解质温度.29 3.3.3 电流效率.31 3.3.4 极距.34 3.3.5 阳极电流密度.34 4 3.3.6 铝液水平、电解质水平、阳极效应系数.35 3.5 主要技术经济指标的确定36 3.6 铝电解槽结构常数的选择与结构计算36 3.7 槽膛尺寸39 3.8 阴极结构40 3.9 槽衬、槽底、砌筑材料尺寸的确定42 3.10 电解槽导电部件的确定与计算43 3.11 主要技术经济
9、指标的确定48 4. 综合技术经济指标的计算.50 4.1 单槽日产量50 4.2 电解槽数量50 5. 平衡与计算51 5.1 物料平衡计算51 5.2 电压平衡计算53 5.2.1 实际分解电压.53 5.2.2 电解质电压.53 5.2.3 阳极电压降.53 5.2.4 阴极电压降.55 5.2.5 阳极效应分摊电压降.56 5.2.6 连接母线压降.56 5.3 能量平衡与计算56 5.3.1 能量平衡计算的基本概念.57 5.3.2 能量收入项的计算.58 5.3.3 能量支出项的计算.59 6.辅助篇73 6.1 铝电解槽破损的特征、检测与维护73 6.1.1 电解槽阴极破损的特征
10、.73 6.1.2 破损槽的维护.76 7. 铝电解车间平面设计.79 参考文献80 致 谢.81 附件 1 外国文献.82 附件 2 中国翻译.87 1 1 绪论 1.11.1 铝电解工业的概述 铝是世界上最丰富的金属元素。金属铝具有耐腐蚀、易导电、密度小和延展性好 等特点，其优良的物理化学特性使得它被广泛地应用于建筑、包装、交通、电力和航 空航天等领域，是保障国民经济持续、快速发展的重要原材料之一，一次铝工业呈现 风波发展之势。2004 年我国氧化铝产量达 710 万吨，居世界第二位；电解铝产量 670 万吨，居世界第一位；铝的表观消费量约 597 万吨，居世界第一为。以上数据表明， 我国
11、已成为世界铝生产、消费大国。 1.21.2 现代铝电解技术 炼铝方法的发展可分为两个时期：最初是化学法，其后是电解法。铝的工业化生 产开始于 1855 年，当时法国人戴维尔用钠代替钾还原氯化铝，制得金属铝。由于拿破 伦三世预见到它在轻型铠甲中的潜在应用而使铝的军事应用获得政府支持。然而，直 到冰晶石-氧化铝熔盐电解法实现工业应用之前，仅生产出少量的铝。 1854 年德国人本森（R.Bunsen）用电解 NaAlCl4熔盐制得了金属铝。当时，由于 电价格太高而且不能获得大电流，因而不能进行工业电解试验。1867 年发明了发电机 并在 1880 年加以改进，这种电源才可用于工业生产。1883 年美
12、国布拉雷（Bradley） 提出冰晶石-氧化铝熔盐电解方案。三年之后即 1886 年，美国的 C.M. Hall 和法国的 P.L.T. Hroult 都在当年通过实验申请了冰晶石-氧化铝熔盐电解法的专利。这就是 历来称呼的霍尔-埃鲁特法。这一方法的要点仍是近代铝冶金工业的基础。自从 1886 年发明了冰晶石-氧化铝熔盐电解法之后，1888 年 11 月 Hall 在美国 Pittsburgh 建厂 实现工业化生产，1889 年 Hroult 在瑞士 Neuhausen 建厂生产铝，这就是电解法工业 生产铝的开始。1888 年 8 月奥地利科学家拜尔（Karl Joseph Bayer）申请了
13、从铝土 矿提取氧化铝的专利。与此同时，瑞士冶金公司利用莱茵河上的水力发电，获得了廉 价的电力。由此，霍尔-埃鲁特法、拜尔法以及廉价的电力推进了美国和欧洲铝工业的 发展，于是，电解法很快取代了化学法。化学法总共生产了约 200 吨铝，前后约 30 年， 该工艺在 19 世纪末逐渐被淘汰。以后，其它各国相继采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法 炼铝。英国开始于 1890 年，德国 1898 年，奥地利 1899 年，挪威 1906 年，意大利 1907 年，西班牙 1927 年，前苏联 1931 年，中国 1938 年。冰晶石-氧化铝熔盐电解法 发明一百多年来，全世界的铝产量已有很大的增长。1890 年是
14、化学法和电解法的交替 2 时代，原铝的产量只有 180 吨左右。1970 年达到 1000 万吨，1980 年 1625 万吨，2000 年突破了 2400 万吨,2007 年已超过 3250 万吨。 冰晶石-化铝熔盐电解法自从十九世纪末页以来，已有一百多年的历史了。在此期 间，铝电解的生产技术有了重大的发展，这主要表现在持续增加电解槽的生产能力方 面。 在铝工业生产初期（18881900 年间） ，曾采用 40008000 安培小型电解槽，其 每昼夜的铝产量不过 2428kg，20 世纪 90 年代大型电解槽的电流强度达到 2830 万 A，每昼夜的铝产量可达 20302170kg。铝电解的
15、电流效率，在铝工业生产初期低 于 80%，20 世纪 90 年代一般达到 90%，有的达到 92%。 电解槽电流强度的持续加大，显然是与整流设备的更新，电极生产的改进，电解 槽设计与生产操作的改善密切相关。在铝工业生产的初期，曾采用小型直流发电机， 电流只有数千安培，后来，改用了水银整流器，现代则普遍采用了大功率高效率的硅 整流器组，系列电流强度因此增加到 30 万 A，而整流效率达到 9598%。 此外，在铝工业生产初期，电解槽曾采用小型预焙阳极，这跟当时电机工业的生 产状况相适应。后来，在 20 世纪初（1909 年） ，生产生产铁合金的电弧炉上出现了连 续自焙电极，铝工业从二十年代开始也
16、采用了这种型式电极作为阳极，这就是侧插棒 式自焙阳极。随后，为了扩大阳极尺寸和简化阳极操作，在四十年代又发展了上插棒 式自焙阳极。自焙阳极的采用，标志着铝电解槽结构型式发展的第二个阶段。但是， 由于自焙阳极的电耗较高，并且因为电极工业的高度机械化可制造大型预焙炭块，所 以从五十年代中期开始有了两项重大的改进，这就是改造了小型预焙阳极电解槽，使 之成为现代化的大型预焙阳极电解槽，与此同时还试验并采用了连续预焙阳极。预焙 阳极电解槽的现代化是铝电解槽发展的第三阶段。 侧插棒式和上插棒式自焙阳极电解槽，最近数十年来也在不断地发展。20 世纪 90 年代侧插棒槽的电流强度一般是 68 万 A，而上插棒槽达到 1015 万 A。 因此，现代铝工业上有两类四种型式的电解槽： 自焙阳极电解槽：侧插棒式，上插棒式。预焙阳极电解槽：不连续式，连续式。 除了上述的四种型式电解槽之外，还有一种多室电解槽，它既可以用于氯化铝电解， 又可以用于氧化铝电解，20 世纪 90 年代尚处于试验阶段。计算机控制技术已经广泛 应用于各种型式电解槽。 铝电解槽在增大生产能力的同时，原铝的质量也有了
