年产10万吨铝的电解车间设计.docx

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年产10万吨铝的电解车间设计

湖南有色金属职业技术学院

 2014 届毕业设计（论文、作品）

题   目：

年产10万吨铝的电解车间设计

系（部）：

  冶金材料系    

专业班级：

姓　名：

指导老师：

 2014  年  10 月 13 日

摘要

电解槽是铝生产的主要设备，本设计在分析了大量文献资料和实地调研的基础上，对铝电解槽结构进行了设计计算，对生产电解铝工艺过程的能量平衡、电压平衡、物料平衡进行了计算，以熟悉铝电解过程，并在计算的基础上，对主要设备进行选型和车间平面设计及总图确定。

本文也介绍了铝的物理化学性质以及铝电解过程物理化学反应，铝电解质体系的性质，电解槽种类、电解槽的基本结构和其参数以及电解车间设计的基本原理。

设计中选用现行铝电解工艺中较为成熟的基本工艺参数，电流强度选用比较常见的240KA，槽型选用中间下料四点下料预焙槽。

电解槽的电流效率为94%，车间总生产能力为年产10万吨。

编制设计说明书，绘制电解槽结构图，车间平面图和工艺流程图。

关键词：

铝电解槽能量平衡设计

1绪论

1.1铝的物理化学性质

铝是地球上含量极丰富的金属元素，其蕴藏量在金属中居第2位。

至19世纪末，铝才崭露头角，成为在工程应用中具有竞争力的金属，且风行一时。

航空、建筑、汽车三大重要工业的发展，要求材料特性具有铝及其合金的独特性质，这就大大有利于这种新金属。

1854年，法国化学家德维尔把铝矾土、木炭、食盐混合，通入氯气后加热得到NaCl，AlCl3复盐，再将此复盐与过量的钠熔融，得到了金属铝。

1886年，美国的豪尔和法国的海朗特，分别独立地电解熔融的铝矾土和冰晶石的合物制得了金属铝，奠定了今天大规模生产铝的基础。

近一个世纪的历史进程中，铝的产量急剧上升，到了20世纪60年代，铝在全世界有色金属产量上超过了铜而位居首位，这时的铝已不单属于皇家贵族所有，它的用途涉及到许多领域，大至国防、航天、电力、通讯等，小到锅碗瓢盆等生活用品。

它的化合物用途非常广泛,不同的含铝化合物在医药、有机合成、石油精炼等方面发挥着重要的作用。

铝及其合金的优良特点是其外观好、质轻，可塑加工性、物理和力学性能好，以及抗腐蚀性好，从而使铝及铝合金在很多应用领域中被认为最为经济实用。

纯净的铝是具有银白色光泽的金属，密度为2.70g/cm³，熔点为660.4℃，沸点为2467℃。

铝具有良好的低温强度特性，强度随温度降低而增大，即使温度降低到-198℃铝仍不变脆。

铝没有磁性和毒性，具有良好的延展性、导热性以及良好的反射光、热的能力；铝的导电性仅次于银和铜（导电率为铜的64%，而密度为铜的30%）。

铝的表面具有高度的反射性。

辐射能、可见光、辐射热和电波都能有效地被铝反射，而阳极氧化和深色阳极氧化的表面可以是反射性的，也可以是吸收性的，抛光后的铝在很宽波长范围内具有优良的反射性，因而具有各种装饰用途及具有反射功能性的用途。

铝元素位于元素周期表第三周期第三主族，最外层有3个电子，容易发生还原反应失去这3个最外层电子形成+3价铝离子。

铝具有两性的特点，遇酸显碱性，遇碱显酸性，和碱反应生成偏铝酸盐，和酸反应生成铝盐。

应指出的是，在常温下浓硫酸和浓硝酸会使铝钝化，但加热时会发生复杂的氧化还原反应；只有盐酸和稀硫酸等才会跟铝发生置换反应，生成盐并放出氢气。

铝在空气中表面会生成一层致密的氧化铝保护膜，因此它不易被腐蚀，但能被碱所溶解

。

铝粉可燃铙，和氧气反应发出强烈白光，生成氧化铝；铝能与非金属发生反应（如硫等）生成铝的化合物（如Al2S3等）；铝也能与不活动金属氧化物发生反应，反应的混合物就是我们熟知的铝热剂；此外铝还能与盐溶液发生置换反应，能与热水发生缓慢的反应生成Al（OH）3并释放氢气等。

1.2国内外铝工业发展的现状及趋势

1.2.1国内外电解铝工业发展现状

中国铝电解技术自70年代末引进160KA中间下料预焙槽技术之后，从消化国外技术开始，揭开了中国现代铝电解技术发展的序幕，以铝电解槽热电磁力特性及磁流体数学模型研究为核心，在工艺、材料、过程控制及配套技术等方面展开了广泛深入的研究工作。

九十年代以来，在基础理论、大型铝电解槽开发现状及工程应用取得了一系列成果，开发成功了280KA、320KA以上的特大型电解槽技术，使铝工业的技术进步令人瞩目。

大容量电解槽的开发，使中国铝电解技术总体上达到了国际先进水平，电解铝工业的面貌发生了根本的改变。

实际运行方面比较差，由于开发时间短，对中国大型铝电解槽在生产领域的深层次开发明显不足，致使实际运行指标的生产指标与国际先进水平还有较大差距。

就中国电解铝整体生产状态而言，能源综合利用效率要比国际先进水平低15%左右，主要表现在：

电流效率相差2-3个百分点；吨铝电耗相差300-800Kwh；电解铝用阳极生产过程能耗相差3kj/t左右；电解铝阳极消耗相差30-60Kg（折合标准煤约75-150Kg）；电槽槽寿命相差1000天左右；阳极效应系数国际先进为0.1次/天.槽以下，中国最好水平在0.3次/天.槽左右。

二十世纪八十年代以来，国外新增电解系列已普遍采用大型预焙阳极电解槽，系列电流强度普遍达到180～350kA，吨铝直流电耗降至12900～14000kw.h.t-1。

目前，西方国家用于生产的电解槽最大电流强度为350kA，且绝大多数企业为280～320kA的超大型预焙槽，电流效率平均达到了94％～96％。

但是大型槽能耗并不低于较小的电解槽，因为槽内混合效率不高而存在氧化铝浓度梯度，下料比较频繁，电解质的混合长度不高造成的

。

1.2.2电解铝工业发展趋势

目前世界电解铝工业的发展趋势主要表现在如下几个方面[3]：

（1）世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化；

（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；

（3）电解铝生产的指标向着高产、优质、低耗、长寿和低污染的方向加快进步；

（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。

2电解铝的生产工艺流程选择

2.1.1铝电解工艺流程

现代铝工业生产，主要采取冰晶石—氧化铝融盐电解法。

直流电流通入电解槽，在阴极和阳极上起电化学反应。

阴极上是铝液，阳极上是CO2和CO气体。

铝液用真空抬包抽出，经过净化和澄清之后，浇铸成商品铝锭，其质量达到99.5-99.8%A1。

阳极气体中大约含有70-80%CO2和20-30%CO[4]，还含有少量氟化物和沥青烟气，经过净化之后，废气排放入大气，收回的氟化物返回电解槽。

图1-1铝电解生产流程简图

电解铝就是通过电解得到的铝。

现代电解铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。

熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950℃-970℃下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，即电解。

　　重要通过这个方程进行：

2Al2O3＝4Al＋3O2↑。

　　阳极：

2O2ˉ－4e＝2O2↑

　　阴极:

Al3+＋3e＝Al

2.1.2铝电解的原料与辅助原料

铝电解所用的原料为氧化铝，辅助原料为冰晶石、氟化铝、氟化钙、及氟化镁[5]。

2.1.2.1氧化铝

铝电解的主体原料是氧化铝。

生产每吨铝所需的Al2O3量，从理论上计算等于1889kg。

实际上由于工业氧化铝大约含有Al2O398.5％左右，，以及在运输和加料过程中有尘散损失，所以生产每吨铝所需的氧化铝量大约是1920～1940kg。

氧化铝是从铝土矿、霞石、蓝晶石、明矾石、高岭石、粘土中提取出来的。

我国目前主要采用铝土矿作为制取氧化铝的原料。

生产氧化铝的方法主要有拜尔法、碱石灰烧结法、拜尔-烧结联合法等，具体采用何种方法，视铝土矿的性质而定。

氧化铝是当前冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产铝的主体原料。

其主要作用是不断补充电解质中的铝离子（Al3+），使其保持适宜范围的浓度，以保障电解生产持续、稳定地进行

a:

化学纯度的要求

工业氧化铝中通常含有Al2O399％左右，其他成分通常为少量的SiO2，Fe2O3，TiO2，Na2O，CaO和H2O。

在电解过程中，那些电位正于铝的元素的氧化物性质，如SiO2和Fe2O3，都会被铝还原，还原出来的Si和Fe进入铝内，从而使铝的品位降低；而那些电位负于铝的元素的氧化物杂质，如Na2O和CaO会分解冰晶石，使电解质成分发生改变并增加氟盐消耗量。

P2O5则会降低电流效率。

水分进入电解槽内不仅可以水解冰晶石造成损失，引起电解质成分的改变，而且还要产生大量的氟化氢，恶化环境。

若水分过大时，还能引起电解质爆炸，危及工人的安全。

水分还会增加铝液中氢含量。

所以铝工业对氧化铝的纯度提出了严格的要求。

现代铝电解生产对于氧化铝的化学组成提出一些新的要求[6]。

例如，氧化铝中各项杂质的含量应符合表格1-1条件。

表1-1

Na2O

V2O5

SiO2

P2O5

Fe2O3

ZnO

TiO2

<0.04%

<0.003%

<0.04%

<0.003%

<0.04%

<0.005%

<0.005%

b:

物理性质的要求

工业氧化铝的物理性能，对于保证电解过程正常进行是很重要的。

铝电解生产对氧化铝的物理性能的要求有：

一：

吸水性小，防止因水分过多水解冰晶石，甚至引起爆炸；

二：

溶解度大，避免氧化铝未及时溶解而生成大量沉淀，且能够较快溶解在熔融电解质里；

三：

飞扬损失小，并且能够严密地覆盖在阳极碳块上，防止阳极氧化和减少热量损失；

四：

有较大的活性及足够的比表面积，能很好地吸收烟气中的氟化氢。

这些物理性能取决于氧化铝晶体的晶型、粒度和几何形状。

根据氧化铝的物理特性不同，可分为三类：

砂状、粉状和中间状，安息角大小是其主要区分点（见表1-2）。

表1-2不同类型氧化铝的物理特性

类型

α-Al2O3

比表面积

堆积比重

真比重

安息角

灼减

粒度（-44μm）

%

m2/g

g/cm3

g/cm3

o

%

%

砂状

10～20

50～60

0.95-1.05

>0.85

<0.75

<3.7

<3.7

>3.9

<30

35-40

>42

0.9～1.2

0.5

0.3

<10

12-20

>40

中间状

40～50

>35

粉状

60～70

2～10

物料的安息角取决于它的一部分颗粒在另一部分颗粒上滑动或滚动的阻力。

砂型氧化铝呈球状，颗粒较粗，平均粒度约为40-50μm。

安息角小，只有30°～50°，其中α－Al2O3含量少于20％，γ－Al2O3含量较高，具有较大的活性，适于在干法气体净化中用来吸附HF气体，以及在半连续下料的电解槽上用作原料，故目前得到广泛应用[7]。

粉型氧化铝呈片状和羽毛状，颗粒较细，安息角大，约为45°,α－Al2O3含量达到80％。

中间型氧化铝介乎二者之间。

2.1.2.2铝电解的辅助原料

铝电解生产中所用的氟化盐主要是冰晶石和氟化铝，此外，包括氟化钙、氟化镁、氟化锂

等。

在铝电解过程中，生产每吨铝的氟盐的消耗指标是：

冰晶石5～20kg，氟化铝15～30kg，氟化锂2～3kg。

a:

冰晶石

铝电解所用的熔剂主要是冰晶石（3NaF-AlF3）。

其中氟化钠与氟化铝的分子数之比称为冰晶石的分子比。

分子比为3时，冰晶石呈中性；分子比小于3时，冰晶石呈酸性；分子比大于3时，冰晶石呈碱性。

氧化铝能够溶解在由冰晶石和其它几种氟化物组成的熔剂里，构成冰晶石－氧化铝熔液。

这种熔液在电解温度在电解温度950oC左右能够良好的导电。

它的密度大约是2.1g/cm3,比同一温度下铝液的密度2.3g/cm3小10％左右，因而能够保证铝液跟