【正文】 paper also introduced the electrolytic process of physical and chemical reactions, electrolyte aluminum nature of the system, the startup cell and conventional electrolysis processes and the basic principles of design workshops. Design selection of the aluminum electrolytic process of basic parameters, current intensity selection of 300KA, groove type selection of intermediate material four point feeding prebaked pot, and a control machine. The bus is four point of entry, current efficiency is 94%, the total production capacity of 180,000tons. System design specification, drawing the electrolytic trough structure, workshop floor plan and process flow diagram, and plete the study of aluminum electrolysis flue gas pollution and its control in writing. Keywords: Aluminum。 本文也介紹了電解過程物理化學(xué)反應(yīng)，鋁電解質(zhì)體系的性質(zhì)，電解槽的啟動和常規(guī)作業(yè)流程 以及電解車間設(shè)計(jì)的基本原理。 設(shè)計(jì)中選用現(xiàn)行鋁電解工藝中較為成熟的基本 工藝參數(shù)，電流 強(qiáng)度 選用 300KA， 槽型選用中間下料四點(diǎn)下料預(yù)焙槽，并備有操控機(jī)。 Energy Balance。航空、建筑、汽車三大重要工業(yè)的發(fā)展，要求材料特性具有鋁及其合金的獨(dú)特性質(zhì)，這就大大有利于這種新金屬 。 直到 1889 年，倫敦化學(xué)會還把鋁和金 制的花瓶與 杯子作為貴重的禮物送給門捷列夫。 鋁及其合金的優(yōu)良特點(diǎn)是其外觀好、質(zhì) 輕，可 塑 加工性、物理和力學(xué)性能好，以及抗腐蝕性好，從而使鋁及鋁合金在很多應(yīng)用領(lǐng)域中被認(rèn)為最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。 鋁沒有磁性和毒性，具有良好的延展性、導(dǎo)熱性以及良好的反射光、熱的能力；鋁的導(dǎo)電性僅次于銀和銅（導(dǎo)電率為銅的 64%，而密度為銅的 30%）。鋁具有兩性的特點(diǎn)，遇酸顯 第 2 頁 堿性，遇堿顯酸性，和堿反應(yīng)生成偏鋁酸鹽，和酸反應(yīng)生成鋁鹽。雖然結(jié)構(gòu)鋼型材與板材的基建投 資費(fèi)用較低，但當(dāng)人們考慮到工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、獨(dú)特的建筑設(shè)計(jì)、質(zhì)輕 或抗腐蝕性時，通常采用了鋁。吊車、輸送機(jī)和重載裝卸系統(tǒng)包含了大量的鋁材。鋁箔頗適用于包裝，箔制盒，包 括 用于盛食品與 藥劑，并可作家用。 由于使用擠壓的車身縱梁、車架下梁和橫梁，卡車自重已減小。 航空航天 ：鋁實(shí)際上用于飛機(jī)、導(dǎo)彈和宇宙飛船工業(yè)的所有部分 。 家具 ： 質(zhì)輕、低維護(hù)費(fèi)用、抗蝕、經(jīng)久耐用和美麗的外觀是鋁制家具的主要優(yōu)點(diǎn)。另一類是非通用的產(chǎn)品，這是為了某個特定用途而設(shè)定的產(chǎn)品，包括擠壓型 材、鍛件、沖擠件、鑄件、沖壓件、粉末冶金零件、機(jī)加工件和鋁基復(fù)合材料。擠壓、擠壓與拉拔結(jié)合生產(chǎn)的無縫管可與機(jī)械制造的有縫管和焊接管相匹敵。 實(shí)際運(yùn)行方面比較差， 由于 開發(fā)時間短，對中國大型鋁電解槽在生產(chǎn)領(lǐng)域的深層次開發(fā)明顯不足，致使實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)的生產(chǎn)指標(biāo)與國際先進(jìn)水平還有較大差距。 缺乏建立在對陰極破損機(jī)理與規(guī)律透徹掌握基礎(chǔ)上的“精細(xì)設(shè)計(jì)”技術(shù)和提高槽壽命 的綜合技術(shù)措施，電解槽難以達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，早期破損率高。 中國鋁業(yè)股價缺乏先進(jìn)的生產(chǎn)操作技術(shù)，作業(yè)成本高。新型電解鋁用鋼殼鋁芯陽極爪 。直流電流通入電解槽，在陰極和陽極上起電化學(xué)反應(yīng)。圖 11 是鋁電解生產(chǎn)流程簡圖。 重要通過這個方程進(jìn)行： 2Al2O3＝ 4Al＋ 3O2。 氧化鋁是從鋁土礦、霞石、藍(lán)晶石、明礬石、高嶺石、粘土中提取出來的。其主要作用是不斷補(bǔ)充電解質(zhì)中的鋁離子 (Al3+)，使其保持適宜范圍的濃度，以保障電解生產(chǎn)持續(xù)、穩(wěn)定地進(jìn)行。 P2O5則會降低電流效率。所以鋁工業(yè)對氧化鋁的純度提出了嚴(yán)格的要求。 表 11 氧化鋁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) (YB81475) 級別 代號 化學(xué)成分 % Al2O3 含量≦ 雜質(zhì)含量 ≧ SiO2 Fe2O3 Na2O 灼減 一級 Al2O31 二級 Al2O32 三級 Al2O33 四級 Al2O34 五級 Al2O35 1 六級 Al2O36 1 注： 1. 氧化鋁含量為 100%減去表中所有雜質(zhì)總和的余量 2. 表中化學(xué)成分按在 300℃177。根據(jù)氧化鋁的物理特性不同，可分為三類：砂狀、粉狀和中間狀，安息角大小是其主要區(qū)分點(diǎn)（見表 12）?！?50176。中間型氧化鋁介乎二者之間。 冰晶石 鋁電解所用的熔劑主要是冰晶石（ 3NaFAlF3）。這種熔液在電解溫度在電解溫度 950oC左右能夠良好的導(dǎo)電。但是它的儲量有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足全世界 第 8 頁 鋁工業(yè)的需要，所以現(xiàn)代鋁工業(yè)采用合成冰晶石，其化學(xué)成分見表 13。國家標(biāo)準(zhǔn) (GB/T42921999)如表 14。 表 15 氟化鈣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) (YB32670) 成分 等級 CaF2 （ %） 雜質(zhì)含量 （ %） 不大于 不小于 SiO2 CaCO3 H2O 一級 二級 三級 四級 98 97 95 93 — 氟化鎂 氟化鎂 (MgF2)跟氟化鈣作用基本相似，但氟化鎂一般在電解槽啟動后期添加，可加速爐幫的形成。到目前為止，有關(guān)鋁電解基本原理的兩大觀點(diǎn)分別為鋁被鈉置換和與 Al+直接放電。在其他條件相等時陽離子電位愈正，則在陰極上放電的可能性愈大，反之亦然。因此陰極上析出的金屬主要是鋁，即鋁是一次陰極產(chǎn)物。當(dāng)兩者電位差降低到接近于零時，鈉離子就有可能同鋁離子一同放電，造成電流效率的損失。這是由于陽極與陰極不 同，炭陽極本身也參與電化學(xué)反應(yīng)。但是，工業(yè)槽上的陽極氣體總是含有 2030%的 CO，這是由于炭渣的存在，或 CO2氣體滲入陽極孔隙中以及溶解在電解質(zhì)中的鋁再氧化反應(yīng)所致。不連續(xù)陽極預(yù)焙槽是陽極塊需要定時更換的槽型。由于自焙槽能耗大，且電解過程中產(chǎn)生有害的氣體不便收集而極易造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此這種 槽型正在不斷淘汰或被改造成預(yù)焙槽。這是鋁冶金的未來發(fā)展方向。 （ 3） 雙極性電極 它有 1個陽極和 1個陰極 , 在這 2 個電極之間還有若干個雙極性電極。至今沒能解決。盡管焦粒焙燒并不是屬于我國自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)，但對我國電解鋁廠應(yīng)該是一個技術(shù)上的進(jìn)步。另一方面也說明了提高電解槽壽命是一個系統(tǒng)的工程。誠然這些措施對電解槽的壽命改善有好處，但它們并不是提高我國鋁電解槽壽命的根本措施。我個人認(rèn)為我國鋁電解槽陽極質(zhì)量極不穩(wěn)定，好壞差別很大。在這些質(zhì)量指標(biāo)中，有些具有相關(guān)性，如電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)之間就有很強(qiáng)的相關(guān)性，這是所有固體導(dǎo)電材料固有的特性。因?yàn)檫@些性能好的陽極可以承受更大的電流密度，陽極電壓降低，抵 第 13 頁 抗高溫氧化的能力強(qiáng)，陽極消耗少。這意味著，同樣大小電解槽在其它技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不變的情況下，以陽極電流密度 ，后者電解槽的產(chǎn)量比前者高 14％，這無疑使鋁電解生產(chǎn)的成本大大降低。 電流效率 不論從理論上，實(shí)踐上，提高電流效率都是通過減小和降 低電解槽中已經(jīng)電解出來的金屬鋁的溶解量來實(shí)現(xiàn)的。 目前，國際上電解鋁廠電流效率最高的電解槽當(dāng)屬 Pechiney 在加拿大魁北克的 325kA 電解槽系列，該電解槽系列年平均電流效率為 ％，電耗178。目前世界上最大的 500kA 電解槽 AP50，長 18m，寬 5m，陽極電流密度 ，電流效率 ％， 2021 年 4 月公布的電流效率為 ％，也接近 96％。 在我國電解鋁廠中，一直習(xí)慣于用傳統(tǒng)的低溫、低分子比來提高電流效率的方式組織生產(chǎn)。此外，由于電解槽的熱穩(wěn)定性降低，電解槽陰極內(nèi)的電流分布不均，槽內(nèi)襯應(yīng)力不均勻，也容易降低電解槽的壽命。然而過低的電解溫度容易在槽底產(chǎn)生沉淀和造成槽膛不規(guī)整，因而會引發(fā)槽子不穩(wěn)定。最初，人們把較低過熱度對電流效率提高所取的效益歸結(jié)于，適當(dāng)?shù)倪^熱度會使電解槽形成較好的槽幫結(jié)殼。因此，最佳的電解質(zhì)過熱度必須由實(shí)踐加以確定。由此可見，國外大型預(yù)焙陽極電解槽電解質(zhì)的過熱度一般都在 8～ 10℃，并將這一數(shù)值作為電解槽的重要工藝技術(shù)參數(shù)和控制指標(biāo)。參照法國彼斯涅鋁電解的操作經(jīng)驗(yàn)，如果這種電解槽的平均過熱度能降低到 8～ 9℃，其電流效率有可能上一個臺階。這次的設(shè)計(jì)可以使我把以前學(xué)過的知識和實(shí)際的生產(chǎn)聯(lián)系起來。 2） 據(jù)給定的已知條件以及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇，進(jìn)行電解系統(tǒng)設(shè)備的計(jì)算及選型。 第 16 頁 2 電解槽的設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算 本設(shè)計(jì)要求鋁年產(chǎn)量為 18 萬噸，通過比較，選擇中間下料預(yù)焙陽極電解槽，設(shè)計(jì)電流強(qiáng)度為 300KA，電流效率為 94%。 106 =179。 24179。 340=233（臺） 2）備用槽槽數(shù) n=2021? t t——— 大修一臺槽時間 d 此處取為 30 天 N——— 系列生產(chǎn)槽數(shù) 臺 2021——— 電解槽內(nèi)襯平均壽命 d n=2021? t=233179。 103 =12895(KW178。因此，在一定條件下，應(yīng)有一個最適宜的電流密度。 D = A/cm2 鋁電解槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 （ 1）陽極尺寸 陽極尺寸是鋁電解槽一個重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。一般傾向于采用稍高一些的炭塊，綜合各種因子的考慮，本設(shè)計(jì)陽極尺寸設(shè)計(jì)為1550mm179。 = cm2 故需陽極炭塊數(shù)目 N=陽極炭塊組由陽極鋁導(dǎo)桿，鋁鋼爆炸焊片，鋼連接板梁，鋼爪頭和陽極炭塊組成，陽極鋁導(dǎo)桿長 2278mm，斷面為 130mm179。 165 mm179。 890mm179。行間距離要便于安裝下料裝置，一般采用 200 mm ～ 300 mm，本次設(shè)計(jì)取 250 mm，組間距離一般采用 40 mm～50 mm，本設(shè)計(jì)取為 50 mm。而在預(yù)焙槽上由于向陽極表面上加一厚層氧化鋁（保溫料），因此槽膛有些深，故本設(shè)計(jì)槽膛深度取為 550mm。 1550+250=4350mm 槽膛長度 =10179。 （ 3）槽殼尺寸 電解槽有長方形剛體槽殼，槽外壁和槽底用型鋼加固，槽殼側(cè)壁砌一層炭塊，總厚 180mm，槽底鋪一層陰極炭塊（ 450mm），兩層耐火磚（ 2179。在中部下料預(yù)焙槽上，其側(cè)壁保溫層有所減薄，故敷設(shè) 100mm 碳化硅層，以適應(yīng)生長邊部凝固電解質(zhì) 層的需要。 180+2179。 515mm179。 = 寬： － 2179。 ）179。 20= 每塊陰極的水平截面積： 334179。 ）（ +3179。 = 陽極有效面積： AA=（ +2179。陽極氧化為：新陽極 0，殘極 ，平均氧化 。 65+40+2179。 180+2179。 65mm），以及一層 65mm 厚的硅酸鈣特種保溫磚。 50+2179。所以 槽膛寬度 =2179。 （ 2）槽膛尺寸 ①槽膛深度 槽膛深度主要取決于槽中電解質(zhì)與鋁液水平及操作工藝制度。鋼爪頭直徑 160mm，長 280mm,爪間距 200mm，面積電流 ,每組陽極炭塊共有四個鋼爪頭。鋁鋼接觸面積超過 98%，抗拉強(qiáng)度不小于 ，抗彎強(qiáng)度不小于，耐熱不小于 350℃。 165mm179。 600mm。預(yù)焙陽極炭塊尺寸，視陽 極排列與組數(shù)不同，長度各異，而寬度在 500750 mm 之間。 D=??? 式中 : D——— 成本方面的經(jīng)濟(jì)電流密度 A/cm2 A——— 電解槽及所有附屬設(shè)備，建筑物與低平等的費(fèi)用 ε ——— 電價 元 /(KW178。但同時電流密度的降低又會使電解槽尺寸加大，使基建投資等費(fèi)用增加。 103 (KW178。天 ) (2)電解槽槽數(shù)的確定 1）工作槽數(shù)的確定年產(chǎn)鋁 18 萬噸，則電解槽臺數(shù)