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课程设计铝电解资料

一、已知条件3

二、设计内容3

1、概述3

1.1铝电解工艺原理及生产技术发展情况3

1.1.1铝电解工艺原理及生产技术发展情况3

1.1.2工艺流程4

1.1.3设备流程5

1.2铝电解的原、辅料情况5

1.2.1原料5

1.2.2辅料6

2、技术经济指标6

2.1技术条件6

2.1.1电流6

2.1.2电流密度7

2.1.3电解质水平与铝水平7

2.1.4极距7

2.1.5电解质分子比7

2.1.6电解温度8

2.1.7效应系数8

2.2技经指标8

2.2.1电流效率8

2.2.2槽电压9

2.2.3原铝直流电耗9

2.2.4铝锭交流电耗9

2.2.5氧化铝消耗9

2.2.6炭耗10

2.2.7氟化盐消耗10

3、预焙槽设计10

3.1技经指标计算10

3.1.1电解槽台数计算10

3.1.2槽电压设计11

3.1.3直流电耗11

3.1.4电流密度12

3.2物料衡算12

3.2.1原铝产量12

3.2.2氧化铝消耗量12

3.2.3氟化盐消耗量13

3.2.4阳极炭块消耗量13

3.2.5反应生成的气体量13

3.3热平衡计算14

3.3.1计算体系的选择14

3.3.2能量平衡计算数据基础14

3.3.3能量收入14

3.3.4能量支出15

3.4槽体的设计16

3.4.1主要设计参数16

3.4.2阳极炭块组19

3.4.3阴极装置20

3.4.4铝母线设计21

3.4.5槽体上部结构22

参考文献：

一、已知条件

年产量：

20万吨；

电流强度：

280KA；

电流效率：

90%；

电解槽单槽年实际工作天数：

360天；

阳极尺寸：

1600mm×660mm×550mm；

二、设计内容

1、概述

1.1铝电解工艺原理及生产技术发展情况

1.1.1铝电解工艺原理及生产技术发展情况

铝在自然界中分布极广，地壳中铝的含量约为8%，仅次于氧和硅，居第三位。

但在各种金属元素中，铝居首位。

铝的化学性质十分活泼，故自然界中极少发现元素状态的铝。

含铝的矿物质总计有250多种，其中主要是铝土矿、高岭土、明矾石等。

铝的电负性较负，无法通过水溶液电解铝的化合物获得金属铝，而只能通过熔盐电解或有机物电解获得。

铝的电解最初方法是Hall~Heroult（霍尔一埃鲁）法，基本原理为A12O3的电化学分解反应，冰晶石是熔剂，并有添加剂AlF3，CaF2，MgF2和LiF等，，将氧化铝熔入其中形成一种复杂的熔盐体系，并且熔体中可产生传导电流的离子（钠离子和各种络合离子），用碳素材料作为阴、阳极材料，通入直流电，含氧络合离子在阳极放电并氧化碳素阳极析出CO2和C0气体，同时含铝络合离子在阴极放电得到熔融金属铝，沉积于阴极，反应式为：

Al2O3+3/2C==2Al+3/2CO2

而现代工业主要在上述方法的基础上进行的改进，其主要原理和Hall~Heroult（霍尔一埃鲁）法一样，知识在上述方法上进行改进。

冰晶石—氧化铝熔盐电解法（现代电解铝的主要方法）制取金属铝，熔融的冰晶石是熔剂，氧化铝作为溶质溶解在其中，以碳素体为阳极，以铝液为阴极，当强大的直流电流通过电解槽，于930℃～960℃下发生电化学反应，阳极产物主要是CO2和CO气体，电解反应方程式（总、阴、阳）为：

阳极反应:

3O2-（络合的）+1.5C-6e==1.5CO2（气）

阴极反应:

Al3++3e==Al（液）

总反应为:

Al2O3+1.5C==2Al（液）+1.5CO2（气）

铝液用真空抬包抽出，经净化和澄清之后，浇铸成商品铝锭，其质量可达99.5%～99.8%Al，或直接加工成线坯、型材等。

阳极气体中含有70%～80%CO2和20%～30%CO，以及少量氟化物（HF）、沥青烟气和固体粉尘，经过净化之后，废气排放入大气，回收的氟化物返回电解。

电解铝过程的简单描述为：

溶解的氧化铝

液态铝（阴极）+气态物质（阳极）

1.1.2工艺流程

在铝电解工业生产中，冰晶石~氧化铝作为熔剂，铝液的密度大于电解质溶液，铝液在下层。

随着电解过程的不断进行，铝液也不断增加，然后通过天车用真空包定期性的从电解槽中将铝液吸出，运往铸造车间，再经过净化、浇铸成商品铝锭。

阳极生成的CO和CO2经过净化回收，从烟囱排入大气，其工艺流程图见下图1。

图1铝电解生产工艺流程

1.1.3设备流程

图2铝电解设备流程图

1.2铝电解的原、辅料情况

1.2.1原料

铝电解的原料是氧化铝，工业氧化铝是从铝土矿中提炼出来的，为白色粉状物，熔点为2050℃，沸点为3000℃，它的流动性很好，不溶于水，能溶于冰晶石熔体中。

铝电解对于原料氧化铝的要求，首先是化学纯度，其次是物理性质。

在化学纯度方面，要求氧化铝中杂质的含量和水分要低，工业氧化铝中通常含有少量的SiO2、Fe2O3、TiO2、Na2O、CaO和H2O。

在电解过程中，SiO2和Fe2O3优于氧化铝被还原，产生Si和Fe进入铝液，降低铝的品位，而Na2O、CaO会分解冰晶石，使电解质组分发生变化并增加氟盐消耗量。

另外，水分也会分解冰晶石，会引起氟盐消耗，增加铝液中的氢含量且会产生HF气体污染环境。

在物理性能方面，通常要求其具有较小的吸水性，粒度适宜，能够较多较快地溶解在熔融冰晶石里，加料时的飞扬损失要小，并且能够严密地覆盖在阳极炭块上，防止其暴露于空气中被氧化。

另外，氧化铝覆盖在电解质结壳上，还起到良好的保温作用。

用于气体净化时，要求氧化铝具有较好的活性和足够的比表面积，从而能够有效地吸收HF气体。

工业用氧化铝通常是两种同素异构体的混合物，即α‐Al2O3和γ‐Al2O3，它们之间的比例，对氧化铝的物理性质能有直接影响。

1.2.2辅料

冰晶石是铝电解中氧化铝的溶剂，而氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化锂等氟化盐则是用作调整和改善电解质性质的添加剂，这些氟化盐是铝电解生产中的副原料。

氧化铝是铝电解生产中主要的添加剂，主要用于降低电解质的分子比，从而降低电解质温度。

氟化钙是由天然萤石经过精选而得，其成分是CaF2>95%，CaCO3<2%,SiO2<1%，初期便于形成炉膛，提高电流效率。

氟化镁和氟化锂是由精氟酸分别与有关的碳酸盐作用而制得，工业氟化镁含MgF290%～95%，有利于碳和电解质分离，有利于Al和电解质分离，有利于打开结壳。

2、技术经济指标

2.1技术条件

2.1.1电流

铝电解槽的电流经历了由小到大的发展过程,它反映了电解槽的单槽产能.随着电解槽电流的增加,可带来如下好处:

电解厂房及电解槽单位产品的基建投资降低；变电所整流所等必要的辅助生产设施及工人的生活福利设施等都相对减少。

本设计的电流选择280KA

2.1.2电流密度

面积电流是电解槽的一个重要技术参数，其定义是电流对导电面积的比值，即

，

其中D—电流密度，A/cm2；

I—电流，A；

S—导电面积，cm2。

由于铝电解槽中导电的电解质的断面不是均一的，导致电解质面积电流的实际计算比较困难。

因此，在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。

2.1.3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。

铝水平是指电解槽中铝液的深。

通常电解质水平为16～22cm，铝水平为20～30cm。

设计取电解质水平为：

20cm，铝水平为：

20cm。

2.1.4极距

阳极底面与铝液镜面间的距离称为极距。

极距的变化会引起电解质压降的变化，从而造成槽电压波动，影响电解槽的能量平衡，进而引起氧化铝浓度的改变，结果影响电流效率。

所以极距要保证在一定的范围内，通常极距不小于4.0cm。

本设计取极距为：

4.5cm。

2.1.5电解质分子比

电解质中NaF的摩尔数与AlF3的摩尔数之比称为电解质分子比，简称分子比。

电解质分子比与电解温度相适应，一般选择高分子比的电解质，其电解温度也相应提高。

目前国内铝厂多选择较低分子比的电解质组成，一般为2.2～2.6。

本设计取电解质分子比为：

2.4。

2.1.6电解温度

为使电解能正常进行，电解温度一般至少高于电解质初晶温度20℃以上，但随电解温度升高，电流效率会有一定程度的降低。

电解温度一般在930℃～960℃。

本设计取电解温度为：

950℃。

2.1.7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,电解效率降低,并耗费大量电能,不利于生产。

某一系列电解槽平均每台电解槽每天发生阳极效应的次数称为效应系数,是电解槽是否正常运行的标志。

随着自适应控制技术在铝电解槽上的应用,效应系数已可控制在0.5/（日·台）以下。

本设计取效应系数为0.2/（日·台）。

2.2技经指标

铝电解经济技术指标有电流效率、槽电压、原铝直流电耗、炭耗、氟化盐消耗等，简要介绍如下。

2.2.1电流效率

某台电解槽的日产原铝量与理论日产原铝量之比称为该电解槽的电流效率。

η=

×100%

式中η：

电流效率；

Q：

电解槽的原铝日产量，t；

I：

系列电流，A；

t：

电解槽日工作时间，h。

本设计取电流效率为：

η=90%。

2.2.2槽电压

槽电压是指电解槽电压表上所指的电压值，也称工作电压。

它一般是由本槽的立柱母线下端起到本槽的阴极母线的一段电压降。

不同的槽型，不同的槽容量，其槽容量也不相同。

本设计槽电压为4.20V

2.2.3原铝直流电耗

铝电解槽内析出每吨铝所消耗的直流电能称为原铝直流电耗，单位为kW·h/tAl。

我国少数铝厂可达13500—14000kW·h/tAl，多数为14000—15000kW·h/tAl，个别铝厂高达16000kW·h/tAl以上。

本设计取原铝直流电耗为17200kW·h/tAl

2.2.4铝锭交流电耗

计算原铝生产成本中的电力费用时，除了考虑电解法生产原铝所消耗的直流电能，还应包括电解槽的启动用电、原铝重熔用电、动力用电以及整流损失。

生产每吨铝锭所需的交流电能为铝锭交流电耗，单位为kW·h/tAl。

铝锭交流电耗一般比原铝直流电耗高1200～1500kW·h/tAl。

本设计铝锭交流消耗取13000+1300=14300kW·h/tAl。

2.2.5氧化铝消耗

生产每吨铝所需的氧化铝的质量为氧化铝消耗，单位为：

㎏/tAl。

按化学反应方程式：

Al2O3→2Al+3/2O2

可得氧化铝消耗：

实际生产中由于运输、机械、飞扬等损失,实际消耗量大于理论消耗量的1.5～6％。

设计取氧化铝消耗为：

1930Kg/tAl。

2.2.6炭耗

生产每吨铝消耗的阳极糊或阳极炭块的质量，单位为Kg/tAl。

一般平均消耗为430-600Kg/tAl。

根据反应方程式：

Al2O3+3/2C→2Al+3/2CO2

计算理论炭耗量:

由于阳极副反应,实际生产中生成的气体是CO与CO2的混合物,其中CO约占30％，CO2约占70％。

根据反应方程式：

Al2O3+30/17C→2Al+21/17CO2+19/17CO

实际炭耗量为:

本设计取炭耗为450Kg/tAl

2.2.7氟化盐消耗

由生产实践可知，生产每吨铝所消耗的冰晶石、氟化铝、氟化锂等氟化盐的总量，通常为20~40Kg/tAl。

本设计取氟化盐总量为40Kg/tAl。

3、预焙槽设计

3.1技经指标计算

3.1.1电解槽台数计算

（1）电解槽寿命论证：

国外大型预焙槽寿命均在1800天以上，国内也普遍达到1800天，故本设计中取槽寿命为1800天，即1800/360＝5年。

（2）单槽原铝日产量：

　吨/（台·天）

其中：

Q—电解槽原铝日产量；

I—电流强度（A）；

t—电解槽日工作时间（24小时）；

η—电流效率（%）；

0.3356—铝的电化当量（g/A·h）；

则：

Q=0.3356×280000×24×0.90×10－6＝2.02971吨／（台·天）

（3）电解槽台数：

台

其中：

C－电解槽台数；

Y－原铝年产量；

360－单槽年实际工作天数；

本设计取274台

3.1.2槽电压设计

V平均=V槽+V母线均摊+V效应均摊

其中：

V槽=E极化+V电解质+V阳极+V阴极+V内线

查手册可得：

V内线=0.10V

V母线均摊=0.20V

V阴极=0.35V

V阳极=0.25V

V效应均摊=0.10V

V极化=1.70V

V电解质=1.50V

V平均=0.25+0.35+0.20+0.10+0.10+1.70+1.50=4.20V

3.1.3直流电耗

=13905.44

其中：

W—直流电耗；V—槽电压；

本设计取直流电耗为17200kW·h/tAl

3.1.4电流密度

先假设电流密度为D=0.80

由公式D=I/S

其中：

S—导电面积

得：

S=I/D=280000/0.80=350000cm2

阳极炭块的面积S1=1600mm×660mm=1056000mm2=10560cm2

阳极炭块的个数为：

n=S/S1=350000/10560=33.14

取阳极炭块个数为34个。

验算：

S实=36×S1=34×10560=359040cm2

D=I/S=0.78。

所以，经验算，选取阳极炭块适当。

本设计取34个炭块，分两行各行17个排列。

3.2物料衡算

正常生产时，电解槽已达到完全自我调节能力，产铝量与氧化铝投入量相匹配，对氧化铝浓度过欠程度产生敏感反应。

氧化铝浓度控制在1.5%～2.5%范围，并排除外界对氧化铝浓度的控制干扰。

氧化铝和AlF3加入量，与“能量平衡”相适应，为“能量平衡”创造条件。

以下均以每吨铝计算：

3.2.1原铝产量

以1小时为计算基础，平均电流强度为280kA，平均电流效率为95%，阳极气体成分：

CO275%、CO25%。

3.2.2氧化铝消耗量

由前面计算可得氧化铝单耗为：

1930Kg/tAl，即1.93Kg/KgAl；

氧化铝实际消耗量：

84.57

1.93=163.22Kg/h

氧化铝理论消耗量：

84.57

=159.74Kg/h

氧化铝损失量：

163.22Kg/h-159.74Kg/h=3.48Kg/h

3.2.3氟化盐消耗量

氟盐消耗量为：

40Kg/hAl，其中冰晶石单耗为：

10Kg/hAl，氟化铝单耗为：

20Kg/hAl，氟化镁单耗为：

10Kg/hAl，故：

冰晶石消耗量=84.57×0.01=0.85Kg/h

氟化铝消耗量=84.57×0.02=1.69Kg/h

氟化镁消耗量=84.57×0.01=0.85Kg/h

3.2.4阳极炭块消耗量

由于阳极副反应,实际生产中生成的气体是CO与CO2的混合物,其中CO约占25％,CO2约占75％。

根据反应方程式：

Al2O3+30/17C→2Al+21/17CO2+19/17CO

理论炭消耗量:

Kg/h

实际炭消耗量：

450Kg/tAl，故：

实际炭消耗量：

84.57×0.45=38.06Kg/h

炭损失量：

38.06-33.16=4.90Kg/h

炭耗指数：

3.2.5反应生成的气体量

根据反应方程式

Al2O3+3/2C→2Al+3/2CO2

计算理论碳耗量：

18×1000/27×2=333.33kg/TAL

由于阳极副反应，实际生产中生成的气体是CO2和CO的混合物，其中CO2约占75%，CO占25%。

Al2O3+12/7C→2Al+9/7CO2+3/7CO

理论实际碳耗量为：

（12/7×12×84.57）/27×2=32.22kg/槽·h;

生产CO2为：

（9/7×44×84.57）/54=88.60kg/槽·h;

生产CO为：

（3/7×28×84.57）/54=18.79kg/槽·h。

由于机械损失等原因，阳极碳块的实际消耗量比理论值多18%～20%，根据国内外生产实践，从优化设计的角度考虑，取每吨铝实际碳耗为：

420kg/TAl。

实际单槽每小时碳耗为：

420×84.57×10-3=35.52kg/槽·h

碳损失为：

35.52-32.22=3.30kg/槽·h

物料平衡表

收入

支出

项目Kg/h

氧化铝163.22

原铝84.57

冰晶石0.423

氟化铝2.114

氟化镁0.423

氟化钙0.338

阳极炭块35.52

炭损失量3.30

CO2生成量88.60

CO生成量18.79

合计202.04

氧化铝损失量3.48

合计202.04

3.3热平衡计算

3.3.1计算体系的选择

该电解槽为敞开体系，故选择槽底-槽壳-槽面阳极为计算范围。

体系内的电压降从阳极钢爪头开始到阴极棒头止。

3.3.2能量平衡计算数据基础

输入部分：

a.电流强度280kA

b.平均电压4.20V

其中：

阳极电压降0.25V，阴极电压降0.35V,电解质电压降1.50V，极化电压1.70V，效应均摊电压0.10V，母线均摊和内线电压降0.30V。

输出部分：

a.反应温度950℃

b.电流效率90%

c.阳极气体成分CO270%,CO30%

3.3.3能量收入

1瓦电1秒产生0.239卡热，每小时则产生0.86KCal/h

以电解温度为温度计算基础，电解槽的能量收入部分仅为电能。

Q收入=IV热=0.860×280000×4.20×4.184=4231530kJ/h

3.3.4能量支出

（1）电解反应所需能量

电解温度=1223K（950℃）

阳极气体成分为CO270%、CO30%，则电解反应为：

Al2O3＋

C=2Al＋

CO2↑+

CO↑

ΔH=（-94.49×

－27.05×

＋402.6）×4.184

=1136.19kJ/molAl2O3

=21040.60kJ/KgAl

铝产量=84.57Kg/h，则

电解反应能量=21040.60×84.57=1779403.54KJ/h

（2）加热氧化铝所需能量

由上面计算氧化铝消耗量=1.93㎏/㎏Al

从25℃加热到950℃所需能量=249×4.184=1042kJ/㎏Al2O3

加热氧化铝的能量=1.93×84.57×249×4.184=170045.31kJ/h

（3）加热阳极所需能量

由上面得阳极炭消耗量：

0.45Kg/KgAl

从25℃加热到950℃所需能量：

380×4.184=1590kJ/㎏炭

加热阳极所需能量：

0.45×84.57×380×4.184=60506.79kJ/h

（4）加热氟盐所需能量

有前面得氟盐消耗量：

0.040㎏/㎏Al

从25℃加热到950℃所需能量=426×4.184=1783KJ/Kg氟盐

加热氟盐所需能量=0.040×84.57×426×4.184=6029.45kJ/h

所以：

加热原材料所需能量=170045.31＋60506.79＋6029.45

=236581.55KJ/h

（5）铝电解槽热损失量（按差值）：

4231530-1779403.54-236581.55=2215544.91kJ/h

320kA预焙阳极铝电解槽的能量平衡表

能量收入（kJ/h）

能量支出（kJ/h）

4231530（100%）

电解反应1779403.5442.05%

加热氧化铝170045.31

加热阳极60506.79236581.555.59%

加热氟盐6029.45

电解槽热损失量2215544.9152.36%

合计4231530（100%）

电解槽的电能消耗率：

=13.91kW·h/KgAl

电解槽的电能利用率：

η电能=

=45.43%

其中6.32为理论上所需的电耗率（kW·h/KgAl）

电解槽的热损失系数：

α热损=

=2.20

该数字可用来比较不同电解槽的热损失量的多少。

3.4槽体的设计

3.4.1主要设计参数

（1）阳极尺寸

阳极尺寸设计值为1600mm×660mm×550mm

（2）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，一般为400～600mm。

槽膛过深，则电解槽造价增加，且日生产中热损失大。

因此槽膛深度常取400～500mm。

本设计槽膛深度取400mm

（3）阳极到槽帮的距离

阳极到槽帮的距离对槽子工作影响很大。

过大，则热损失大，电解槽相对造价也高；过小则不利于操作。

本设计：

取阳极炭块到纵侧槽帮（所谓的“大面”）的距离为450mm；

阳极炭块到横侧槽帮（所谓“小面”）的距离为400mm；

两排阳极间的中缝宽度一般为：

200-250mm，本设计取200mm；

各阳极块之间取45mm间隙。

则电解槽膛数据计算如下：

槽膛宽度：

2×450＋2×1600＋200=4300mm；

槽膛长度：

17×660＋16×45＋2×400=12740mm；

槽膛深度：

400mm。

（4）阳极棒尺寸

阳极棒是由自焙阳极电解槽的重要导电部件，阳极棒的直径和长度是其重要参数。

而阳极棒的直径又受到阳极上所能容许的棒数及棒的面积电流制约，三者互为联系。

要追求这样一个阳极棒直径，在该直径下存在一个合理的阳极棒数量或合理的阳极棒面积电流。

在这个合理数值下，阳极棒上的总花费达到最小。

钢制阳极棒的面积电流，上插槽一般为0.10~0.20A·mm-2，侧插槽一般为0.15~0.25A·mm-2。

选取阳极棒尺寸为：

80/45mm,棒长750mm，阳极棒间距选200mm，钢棒中心至阳极边部距离选300mm

（5）阴极棒及阴极炭块尺寸

一定容量的电解槽选择阴极棒数，实际上就是要确定阴极棒经济和合理的面积电流。

在此面积电流下，花费于阴极棒上的电耗费用与阴极棒投资的折旧费用等总和应为最小。

还有一种考虑是从技术角度即从能量损失角度出发，也就是在阴极棒数目一定的情况下，阴极棒的断面加大（即面积电流降低），电压降低，从而电能损失减小，但同时通过阴极棒的热损失增加，而这又使电能损耗加大。

反之，减小阴极棒断面，则电压升高但热损失减小。

因此，必有一适宜值，使二者的能量损失总和达到最小。

达到这一点的技术条件是，阴极棒的高温不接受由槽内传出的热量。

而要保持这一条件，文献证明，需要保持IL/A（A/cm）为一个适宜的数值，这里I为通过倒替的电流，A；L为导体的长度，cm；A为导体的端面cm2。

这一个适宜数值，只与导体冷热两端温度及导体材料的热电性质有关。

根据上述理论对阴极钢棒所作的计算表明，大中型槽采用130mm×130mm的方钢，小型槽采用100mm×100mm的方钢较为合理。

这大致相当于钢棒的面积电流为0.18~0.25

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