年产18万吨电解铝的铝电解车间工艺设计 冶金工程专业 大学论文.docx
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年产18万吨电解铝的铝电解车间工艺设计冶金工程专业大学论文
年产18万吨电解铝的铝电解车间
工艺设计
专业：
冶金工程
学生：
指导老师：
设计总说明
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运输方案确定。
本文也介绍了电解过程物理化学反应，铝电解质体系的性质，电解槽的启动和常规作业流程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300KA，槽型选用中间下料四点下料预焙槽，并备有操控机。
母线为四点进入，电流效率为94%，总生产能力为18万吨。
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，并完成专题论文铝电解过程烟气污染及控制的写作。
关键词：
铝；电解槽；能量平衡；设计
ThePlantDesignof180,000TonsofAluminum
ElectrolyticAluminum
Speciality:
MetallurgicalEngineering
Student:
XuZhifei
Instructor:
MaHongzhou
DesignDescription
Lianlvaluminiumcellisthemainequipment,thedesignintheanalysisofalargenumberofliteratureandfieldresearchonthebasisofaluminiumcellstructureofthedesign,electrolyticaluminumproductionprocessoftheenergybalanceiscalculatedtofamiliarwiththealuminumElectrolysisprocess,andinthecalculationonthebasisofmajorequipmentselectionandworkshopgraphicdesignandthetotaltransportschemefortheplans.Thispaperalsointroducedtheelectrolyticprocessofphysicalandchemicalreactions,electrolytealuminumnatureofthesystem,thestart-upcellandconventionalelectrolysisprocessesandthebasicprinciplesofdesignworkshops.Designselectionofthealuminumelectrolyticprocessofbasicparameters,currentintensityselectionof300KA,groovetypeselectionofintermediatematerialfourpointfeedingprebakedpot,andacontrolmachine.Thebusisfourpointofentry,currentefficiencyis94%,thetotalproductioncapacityof180,000tons.
Systemdesignspecification,drawingtheelectrolytictroughstructure,workshopfloorplanandprocessflowdiagram,andcompletethestudyofaluminumelectrolysisfluegaspollutionanditscontrolinwriting.
Keywords:
Aluminum;EnergyBalance;ElectricCell;Design
1绪论
1.1铝的物理化学性质和用途
1.1.1铝的简介及物化性质
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。
这时的铝十分珍贵，据说在一次宴会上，法国皇帝拿破仑独自用铝制的刀叉，而其他人都用银制的餐具。
泰国当时的国王曾用过铝制的表链；1955年巴黎国用博览会上，展出了一小块铝，标签上写到：
“来自粘土的白银”，并将它放在最珍贵的珠宝旁边。
直到1889年，伦敦化学会还把铝和金制的花瓶与杯子作为贵重的礼物送给门捷列夫。
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可以阻止铝的进一步氧化和腐蚀；而铝粉可燃铙，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。
1.1.2铝的用途
铝广泛的应用于各种建筑中，如桥梁、塔楼和储罐等。
虽然结构钢型材与板材的基建投资费用较低，但当人们考虑到工程的结构特点、独特的建筑设计、质轻或抗腐蚀性时，通常采用了铝。
铝可用于桥梁与公路的辅助结构上，如桥梁栏杆、公路护栏、照明标准件、交通指挥塔、交通标志和连接围栏等。
铝也普遍用于桥梁结构上，特别是长墩距桥梁或活动桥梁的平衡装置和升桥的施工中。
脚手架、爬梯、变电所构筑物及其它公用工程构筑物，常使用的铝材形式主要是结构型材和特殊挤压型材。
吊车、输送机和重载装卸系统包含了大量的铝材。
储水大罐常用铝合金建造，以增强抗腐蚀性并形成引人注意的外观。
包装业一直是用铝的市场之一，且发展最快。
包装业产品包括家用包装材料、软包装和食品容器、瓶盖、软管、饮料罐与食品罐。
铝箔颇适用于包装，箔制盒，包括用于盛食品与药剂，并可作家用。
变形铝制品和铸造铝制品在汽车结构中应用颇广。
每台汽车的典型铝用量约70kg，此数据正在急剧增加，因为普遍的节省燃料的要求迫使如此，而且人们还不断强调回收铝的重要性。
卡车由于重量的限制及人们想增加有效载重量的愿望，制造商已增加铝在驾驶室、拖车和卡车设计中的应用。
由于使用挤压的车身纵梁、车架下梁和横梁，卡车自重已减小。
挤压的模板及锻造的驾驶盘已常见。
铁路车辆：
铝用于制造铁路底卸车、冷冻车和槽车，铝亦广泛用于铁路客车，特别是那些公共交通系统的车辆。
海上应用：
铝普及于各种各样的海上应用中，包括船舶的主要受力构件如船体与舱面室，以及其它应用如烟囱外壳、舱盖、窗框、空气出口、舷梯、信道、船尾、甲板、通风设备、船用家具、以铝代用的五金器材、燃料罐及面表光亮的平整件。
航空航天：
铝实际上用于飞机、导弹和宇宙飞船工业的所有部分。
制造机身、引擎、附件、液体燃料和氧化剂的容器设备。
铝因其高强度/密度之比率、抗腐蚀性和重量功效而得到广泛应用，特别是用在压缩的设计中。
家用电器：
由于铝制品质量轻、外观美观、具有对各种形式加工的适应性以及便宜的制造加工费用，因此铝广泛应用于家用器具中，质轻是它重要的特性，可适应于真空吸尘器、电熨斗、便式洗碟机及食品加工机与搅拌器的要求。
家具：
质轻、低维护费用、抗蚀、经久耐用和美丽的外观是铝制家具的主要优点。
机械与设备：
铝材也被广泛地应用在加工设备、纺织设备、煤矿机械、移动式灌溉管与工具。
铝及其合金可以用已知的所有方法浇铸成铸件或加工成材。
铝及其合金的加工产品可以划分为两类：
一类是通用产品，包括薄板、厚板、箔、棒材、线材、管材以及结构型材，其中板材可细分为圆形棒和非圆形棒，其中管材可细分为标准圆管和非标准圆形管。
另一类是非通用的产品，这是为了某个特定用途而设定的产品，包括挤压型材、锻件、冲挤件、铸件、冲压件、粉末冶金零件、机加工件和铝基复合材料。
挤压件其实是挤压固体金属通过开孔模而生产出来的。
具有轴对称的设计件特别适合于用挤压形式生产。
使用现行的工艺，也能挤压复杂的、有心轴的和不对称的外形，精密挤压可显出非同寻常的严格尺寸和表面光洁度，工件的主要尺寸通常不需要机加工；挤压后产品的精度可容许用简单的切割、钻孔、扩孔和其它小量的机加工来达到。
挤压、挤压与拉拔结合生产的无缝管可与机械制造的有缝管和焊接管相匹敌。
1.2国内外铝工业发展的现状及趋势
1.2.1国内外铝工业发展现状
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。
多数在大负荷、小电网环境下运行，安全隐患多。
铝电联营是中国电解铝企业发展的趋势之一，但同时在技术上也存在相应的问题。
由于大容量电解槽一般系列规模较大（一个系列产能可达20万吨以上），巨大的用电负荷集中在一个生产系列上（一般达40万KW以上），电解系列生产的任何波动都会造成电网或自备电厂较大的影响，甚至威胁供电安全。
缺乏建立在对阴极破损机理与规律透彻掌握基础上的“精细设计”技术和提高槽寿命的综合技术措施，电解槽难以达到设计寿命，早期破损率高。
影响中国大型槽槽寿命的问题除了中国普遍认为的阴极炭素材料质量方面的原因外，电解槽的设计、筑炉材料、筑炉质量、焙烧启动、正常生产操作及生产管理等方面均存在一些问题。
导致这些问题的深层次原因是，中国尚缺乏对铝电解槽破损（常称为阴极破损）机理与规律的深入掌握及在此基础上的“精细设计”技术和提高槽寿命的综合技术措施。
随着电解槽容量的不断扩大，槽寿命问题就更加突出。
中国铝业股价缺乏先进的生产操作技术，作业成本高。
中国300KA级的特大型预焙铝电解槽投入工业应用的时间短。
又不能完全照搬以前在大型预焙槽上的相关经验（这些经验也有很大局限性）。
焙烧启动过程中电流分布不均的问题更突出且焙烧启动过程中的能耗大；投入运行后电解槽的物理场（电场、磁场、流场）容易波动，热平衡的维持较困难；槽电阻极易受外界的干扰而波动，阳极效应发生后熄灭困难，且由于电解槽的惯性大，一旦出现槽况波动或槽况异常现象，很难快速恢复正常。
新型电解铝用钢壳铝芯阳极爪。
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3Gj/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。
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五个方面：
（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；
（5）电解铝新技术探索不断进行。
1.3电解铝生产
1.3.1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，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是铝电解生产流程简图。
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－4eˉ＝O2↑
阴极:
Al3+＋3eˉ＝Al
1.3.2铝电解的原料：
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。
电解生产中，为了取得良好的技术经济指标，对氧化铝的要求是非常严格的，首先体现在其化学纯度上，其次是物理性能。
1.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。
例如，氧化铝中各项杂质的含量应符合下列条件：
Na2O<0.04%V2O5<0.003%SiO2<0.04%
P2O5<0.003%Fe2O3<0.04%ZnO<0.005%TiO2<0.005%
我国氧化铝等级标准如下（见表1-1）。
适应于大型预焙槽生产用的氧化铝应
满足三级品以上的要求，其中一至二级品占80%以上，余者为三级品。
表1-1氧化铝质量标准（YB814-75）
级别
代号
化学成分%
Al2O3含量≮
杂质含量≯
SiO2
Fe2O3
Na2O
灼减
一级
Al2O3-1
98.6
0.02
0.03
0.5
0.8
二级
Al2O3-2
98.5
0.04
0.04
0.55
0.8
三级
Al2O3-3
98.4
0.06
0.04
0.6
0.8
四级
Al2O3-4
98.3
0.08
0.05
0.6
0.8
五级
Al2O3-5
98.2
0.1
0.05
0.6
1
六级
Al2O3-6
97.8
0.15
0.06
0.7
1
注：
1.氧化铝含量为100%减去表中所有杂质总和的余量
2.表中化学成分按在300℃±5℃温度下烘干2h的干基计算
3.表中杂质成分按BG8170处理
2.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是：
（1）吸水性小，防止因水分过多水解冰晶石，甚至引起爆炸；
（2）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；
（3）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；
（4）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
<3035-40>42
0.9～1.20.50.3
<1012-20>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。
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。
1.3.3铝电解的熔剂：
氟盐
氟盐是铝电解的熔剂，是铝电解的辅助原料。
铝电解的氟盐包括冰晶石、氟化铝、氟化钙、氟化镁、氟化锂等几种。
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。
1.3.3.1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电解液分层。
在这种熔盐里基本上不含有比铝更正电性的元素，从而能够保证电解产物铝的质量。
天然冰晶石（3NaF-AlF3）产于格陵兰岛，属于单斜晶系，无色或雪白色，密度2.95，硬度2.5，熔点1010℃。
但是它的储量有限，远远不能满足全世界铝工业的需要，所以现代铝工业采用合成冰晶石，其化学成分见表1-3。
表1－3国产冰晶石的质量标准（％）
等级
化学成分（%）
不小于
杂质成分（%）不大于
F
Al
Na
SiO2
Fe2O3
SO42—
CaO
P2O5
H2O
550℃
30min灼减
特级
二级
三级
53
53
53
13
13
13
32
32
32
0.25
0.36
0.40
0.05
0.08
0.10
0.7
1.2
1.3
0.10
0.15
0.20
0.02
0.03
0.03
0.4
0.5
0.8
2.5
3.0
3.0
1.3.3.2氟化铝
工业氟化铝是白色极细的粉末，不粘手。
在常压下加热不熔化，但在高温下升华。
工业上广泛采用氟化铝来调整电解质成分，既可弥补电解质中氟化铝的挥发损失，又可调节电解质的分子比。
国家标准（GB/T4292-1999）如表1-4。
表1-4氟化铝质量标准（GB4292-84）
等级
化学成分，%（质量）
F≮
Al≮
Na≯
SiO2+Fe2O3≯
SO42-≯
P2O5≯
H2O≯
一级
61
30
4
0.4
1.2
0.05
7
二级
60
30
5
0.5
1.5
0.05
7.5
1.3.3.3氟化钙
添加氟化钙一般在焙烧装炉时用之，其作用是起到矿化剂的作用，可以加速炉帮的形成，而形成的炉帮有较为坚固。
同时可以降低电解质的初晶温度，从而降低电解温度。
工业用氟化钙质量要求如表1-5所示。
表1-5氟化钙质量标准（YB326-70）
成分
等级
CaF2（%）
杂质含量（%）不大于
不小于
SiO2
CaCO3
H2O
一级
二级
三级
四级
98
97
95
93
0.8
1.0
1.4
2.0
1.0
1.2
1.5
—
0.5
0.5
0.5
0.5
1.3.3.4氟化镁
氟化镁（MgF2）跟氟化钙作用基本相似，但氟化镁一般在电解槽启动后期添加，可加速炉帮的形成。
槽中添加MgF2，其作用比CaF2作用强烈，实践证明这是一种较好的添加剂。
工业上对氟化镁质量要求如表1-6所示。
表1－6氟化镁质量标准
等级
化学成分（%）
≥
≤
一级
FMg
4532
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