170KA的铝电解槽的设计.docx

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170KA的铝电解槽的设计

170-KA的铝电解槽的设计

一．铝工业的介绍

1.铝电解工业现状……………………………………………………….1

2.电解铝工业的发展趋势…………………………………………………2

3.全球电解铝市场供求状况………………………………………………3

二．熔盐电解

1.熔盐电解质…………………………………………………………4

2.影响熔盐电解质的因素……………………………………………5

三．电解生产工艺流程…………………………………………………6

四．铝电解槽的设计计算

1.阳极结构参数的选择与计算………………………………………….…7

2.电解槽槽体结构选择计算………………….…………….….……….…8

3.阴极结构参数的选择及计算……………………………….………….…9

五.铝电解槽导电部件的选择计算

1.阳极部分导电部件的选择与计算…………………………….….………10

2.阴极部分导电部件的选择与计算…………………………………….…11

六.铝电解槽电压平衡计算

1.阳极部分…………………………………………………………..…12

2.电解质电压降…………………………………………………………13

3.阴极部分电压降………………………………………………………14

4.阳极效应分摊电压……………………………………………………15

5.连接母线压降…………………………………………………………16

七.电解槽电压平衡表………………………………………………17

八.铝电解槽工作制度………………………………………………18

九.设计心得…………………………………………………………19

十．附图………………………………………………………………20

170KA的铝电解槽的设计

一．铝工业的介绍

由于铝电解生产需要大量的电能，故降低单位铝产量的电能消耗量是历来追求的目标。

在铝工业生产初期，每千克铝电耗量高达30～40kwh-1。

以后，随着供电设备的更新，电解槽生产能力的增大，阳极和导电母线电流密度的减小，电解槽结构的改进和生产操作的改善，电耗率亦相应地有所降低，现在一般电耗率为13～15kwh-1/kg，有的甚至降低到kg。

1.铝电解工业现状

本世纪八十年代以来，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12900～14000。

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％。

近年来，我国新建槽多采用180～300kA的大型槽，改造旧槽因投资等方面的原因，多采用75kA或160～240kA之间的槽型，其技术与世界先进水平比仍有一定的差距，到目前为止，国内仅有少数企业采用技术上与世界一流企业基本同步的280～320kA之间的槽型。

目前，我国生产使用的铝电解槽，最大的槽型是电流强度为350kA的槽型（应用于平果铝业公司），还有电流强度仅24kA的槽型，我国电解槽电流效率平均仅为86％～90％。

2003年底全国万t产能中，280kA以上特大型预焙槽产能为万t，占总产能的％；160～240kA大型预焙槽产能为万t，占总产能的46．5％；小型预焙槽产能为万t，占总产能的％；还有万t产能仍然是使用落后的自焙槽，占总产能的％。

可见，虽然通过引进、消化、吸收国外先进技术和装备，我国电解铝行业整体装备水平有显著提高，但是，我国还有约100万t的自焙槽和约200万t的小型预焙槽，约占全国总产能的35％，这些低档次的生产技术设备，虽然具有生产工艺简单、投资省、见效快等优点，但技术装备水平较低，能耗、原材料消耗高，环境污染严重，技术经济指标较差。

表1—32000—2006全球电解铝市场供求状况

项目

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

产量（万吨）

2442

2445

2609

2801

2925

3081

3280

消费量（万吨）

2484

2408

2550

2748

2915

3050

3300

供求（“-”号表示消费缺口）

-421

367

587

536

91

31

-12

表1—42005年底我国按电流强度区分的电解槽数量、产量和能力

电流强度

实有槽数

2005年底开工数

生产能力

产量

个

个

万t

万t

合计

21740

17816

1020

其中

320—350kA

596

556

280—300kA

3554

2774

115—240kA

10220

8976

10—90kA

7100

5512

电解铝工业的发展趋势

（1）世界铝工业的组织结构日趋规模化、集团化、国际化

此外，目前世界上新建铝企业的规模都比较大。

西方新建或改造电解铝的起步规模平均在25-50万吨之间。

如加拿大铝业公司投资19亿美元正在建设的阿尔玛（Alma）铝厂，年产能40万吨；2001年6月，由比利顿（Billiton）矿业公司控股的莫桑比克铝冶炼公司，投资10亿美元建设与一期相同的原铝能力万吨；法国普基铝业公司计划在委内瑞拉建设一个年产能达46万吨的电解铝厂；几内亚拟在未来4-5年内投资25亿美元新建一个年产能达30万吨的电解铝厂及相关项目。

年产50万吨电解铝的海湾巴林铝厂拟扩产到70万吨规模。

扩大产能的目的是节约成本，提高劳动生产率，加强竞争力。

（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

   冰晶石-氧化铝电解法发明110多年来，电解槽设计逐渐合理，容量大幅度增加，其科技含量、智能化程度越来越高，发展大型或超大型高效率、智能化的铝电解槽已经成为当今电解铝企业技术进步的标志和趋势，世界铝电解工业的技术及装备水平已经有了很大提高，在生产规模、电解槽容量、计算机应用、机械化和自动化程度以及烟气治理等方面都有了较大的进步变化。

（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

西方国家先进电解铝技术的发展，体现在技术经济指标的先进性上：

1）槽型大，电流强度达到300kA以上；2）电流效率高，一般达到94%-95%，个别企业已经提高到96%；3）吨铝直流电耗低，一般为kWh，个别企业已经降低到13000kWh。

（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

目前，世界原铝生产成本中电费占据相当大的比重，因此，如何降低发电成本和电价，降低原铝生产电耗，是绿工业生存和发展的重要研究课题。

虽然日本是铝的消费大国，但铝产量却一直下降。

日本现在主要靠在海外投资来获取金属铝，仍保持人均年耗铝28kg的高水平。

日本铝工业的衰落，除资源贫乏之外，最主要的是能源短缺，铝用石油电价高达美分/kWh，超过国际铝业平均用电价格美分/kWh数倍。

日本铝工业的兴衰发人深思，电价渐渐变成左右铝工业发展的制约因素。

当今世界铝工业被迫向电力充裕廉价的地区转移，向铝土矿资源丰富区域和发展中国家转移。

二．熔盐电解

在电化顺序中，极为活泼的金属不能从盐类的水溶液中获得。

因为在水溶液中，该金属将与水作用而析出氢，并生成该金属的氢氧化物。

抽取此类金属，当以热还原法有困难时，经常采用电解该金属的熔融盐或溶于熔盐的氧化物。

有时熔盐电解是某些金属惟一的制备方法。

如铝钙铍锂钠等均以熔盐电解法制备。

许多稀有金属也可用熔盐电解法制得，如钍铌锆钽等

利用电能加热并转换为化学能，将某些金属的盐类熔融并作为电解质进行电解，以提取和提纯金属的过程。

熔盐电解在19世纪初已开始应用，随着熔盐电化学的迅速发展，至19世纪末期就以工业规模生产铝、镁等轻金属。

以后，又用于稀有金属的生产。

酸只有在水溶液中才可以电解

1.熔盐电解质

　　熔盐是熔融状态的盐类，其中主要是卤化物。

熔盐是离子熔体，有较高的电导率；在比熔点稍高的温度时，晶体结构虽然由于热运动而松散、溃乱，但在一定的距离内仍保持一定的有序性，称为近程序结构。

　　在电解中使用的熔盐电解质应该具有较低的熔点，适当的粘度、密度、表面张力，足够高的电导率，以及相当低的挥发性和不溶解被电解出来的金属熔体等性质。

为了达到这些要求，常常使用由几种盐类组成的混合物。

它们常具有比纯组分更低的熔点,但也有不少例外。

所以，必须通过实验来选择适当的混合盐组成。

通常，电解镁用NaCl-KCl-MgCl2混合熔盐；电解铝用Na3AlF6-Al2O3混合熔盐。

电解钽则用K2TaF7-Ta2O5混合熔盐；电解铍用BeF2·NaF-BaF2或NaCl-BeCl2混合熔盐。

2.影响熔盐电解的因素

　　和水溶液电解质一样，当熔融电解质与金属接触时，两者之间将产生一定的电势差，即电极电势。

在同一熔盐中插入两个电极，并利用外加电压通过直流电，当电压达到一定的数值时，熔盐中的某些组分将分解，平衡状态下化合物开始分解的电压称为分解电压（表1）。

常见金属的电化当量见表2。

熔盐的性质和它的组成、金属离子和阴离子的性质都会影响电化顺序中各金属的相对位置。

　　在大多数情况下，熔盐电解的电流效率低于水溶液电解。

影响电流效率的因素有：

温度、电流密度、极间距离和电解质的性质。

其中电解质对金属的溶解是降低电流效率的主要因素之一。

某些金属可与其高价化合物作用，生成低价化合物，例如：

　　CaCl2+Ca─→2CaCl

　　AlCl3+2Al─→3AlCl

　　低价化合物重溶于熔盐中，并易被空气或阳极析出的气体氧化而成为高价化合物，因而引起更多的金属被溶解，降低电流效率。

此外，析出的金属也可从熔盐中置换出其他金属，而溶解于熔盐中。

　　阴极反应熔盐电解时阴极上进行的反应为：

　　Men+＋ne─→Me

　　式中Me为金属,n为得失电子数。

当熔盐温度高于金属的熔点时，所得金属为液态。

在工业生产中，有时液态金属即成为阴极表面，如电解铝；由于工艺要求及电解槽构造的不同，有时生成的液态金属迅速自金属阴极离开，如电解镁、锂、钠等。

若熔盐温度低于金属熔点时，所得金属为固态。

随着条件的不同，可以得到金属粉末、片状晶体或薄层覆盖物。

由于高熔点金属的广泛应用，熔盐电解法在这些金属的制备中也获得更大的进展。

如铍、锆、钽、铌、钍等都可用此法制备。

　　阳极反应在电沉积时常使用碳电极作为阳极,而在电解精炼时则使用粗金属电极。

使用碳电极时,如MgCl2的电解，阳极反应可以使氯离子放电而析出氯气：

　　2Cl-─→Cl2↑＋2e

　　也可以是碳与氧的化合,如Al2O3在冰晶石熔体中的电解，生成CO或CO2：

　　2O2-＋C─→CO2↑＋4e

　　在电解精炼中，粗金属作为阳极，其反应为：

　　Me─→Men+＋ne

　　电极电势较被提取金属为正的杂质将不溶解，而电极电势较被提取金属为负的杂质，虽溶解于熔盐内，但不能在阴极析出，从而起到提纯的作用。

三．电解生产工艺流程

1.电解原理

工业生产铝，主要采用冰晶石—氧化铝熔盐电解发。

主要设备是电解槽，电解法原理为：

直流电流通入电解槽，在阳极和阴极上起电化学反应，电解产物在阴极上析出率，阳极上是co2（约75%~80%）和co（约20%~25%）.电解槽内，电解质通常有冰晶石。

氧化铝和添加剂组成，电解温度为940~950，密度为|cm3，铝液密度为g、cm3，二者因密度差而分我上下层，铅液用真空抬包抽出，经过净化。

澄清和配料之后，浇铸成商品铝锭。

其纯度课达含铝量%~%.阳极气体中含有少量