【文章內(nèi)容簡介】 圖15 側(cè)插陽極電解槽簡圖 鋁電解槽槽型的發(fā)展趨勢近年來，人們正在積極研制惰性陽極、惰性陰極、絕緣側(cè)壁和多室槽。如能與低溫電解(用Al2O3做原料，在800～900℃下電解)配合成功，則鋁電解生產(chǎn)將會發(fā)生重大的改革。這是鋁冶金的未來發(fā)展方向。（1）惰性陰極惰性陰極是一種新型電極, 由于陰極是潛沒式的, 它的上面覆蓋著鋁液層, 所以它的工作環(huán)境稍好于陽極。對惰性陰極材料的基本要求是：在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性和機械強度；能抵御鋁液和電解液的腐蝕作用；對鋁液有良好的濕潤性；能夠和基體材料良好地結(jié)合, 從而阻止電解液滲透；在高溫下有良好的導電性。（2）惰性陽極它是由氧化錫、氧化鎳、氧化鐵、氧化銻和金屬銅等制造的, 其特點是在冰晶石熔體中的溶解度小, 在高溫下具有良好的導電性。（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。此種雙極性電極有一面為惰性陰極, 另一面為惰性陽極。其目標是抑制電極之間的短路, 以增加全槽的鋁產(chǎn)量和減少電能消耗量。 我國電解鋁技術(shù)存在的問題 電解槽壽命我國鋁電解槽壽命比國外電解槽壽命短。至今沒能解決。對鋁電解生產(chǎn)來說，影響鋁電解槽壽命的原因是多方面的：有電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題，有電解槽內(nèi)襯材料選擇與內(nèi)村材料的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題，有筑爐方法的問題，有筑爐質(zhì)量的問題，也有電解槽焙燒啟動的方式、方法問題，更有電解槽早期技術(shù)管理和正常情況下電解工藝的選擇與操作問題。應(yīng)該說，上述各個過程和環(huán)節(jié)的好壞，都會影響電解槽的壽命。多年前，我國電解鋁廠引進了國外的鋁電解槽焦粒焙燒干法啟動的技術(shù)，取代了落后鋁液焙燒技術(shù)。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)上的進步。值得關(guān)注的是，盡管我國引進和使用了這一較為先進的鋁電解槽焙燒技術(shù)，但槽壽命沒有明顯的提高。以最早使用這一焙燒技術(shù)的白銀鋁廠為例，電解槽的壽命仍然在1500天左右。由此可見，就我國電解鋁廠來說，僅僅以焦粒焙燒干法啟動取代鋁液焙燒，想大幅度提高我國鋁電解槽的壽命的目的不能實現(xiàn)。另一方面也說明了提高電解槽壽命是一個系統(tǒng)的工程。就我國電解鋁廠而言，電解槽內(nèi)襯材料的選擇和內(nèi)襯材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、筑爐方法、筑爐質(zhì)量，以及電解槽啟動后的早期技術(shù)管理、正常的工藝技術(shù)操作等方面都存在不同程度的問題，都對電解槽的壽命有影響。而我國電解鋁廠對這些方面的認識和了解不多，缺乏深入的研究。在談及提高電解槽的壽命時，過去聽到比較多的建議是使用石墨化和半石墨化的陰極炭塊、硼化鈦陰極涂層等技術(shù)。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。綜上所述，總結(jié)過去的經(jīng)驗，可以認為，我國如果不從電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)材料的選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計、筑爐方法、筑爐質(zhì)量、焙燒和啟動的方法和質(zhì)量，早期技術(shù)管理以及合理的電解槽工藝制度等各個方面上去研究、去改進、去提高，是不可能達到國際上電解槽壽命2500～3000天的技術(shù)水平的。 陽極質(zhì)量對于電解槽陽極質(zhì)量上的差別，沒有數(shù)量上的概念。由于我們沒有健全的、與國外可供比較的質(zhì)量檢測方法、技術(shù)，也沒有可信、可比的數(shù)據(jù)，很難對這一問題作出準確、定量的結(jié)論。我個人認為我國鋁電解槽陽極質(zhì)量極不穩(wěn)定，好壞差別很大。由于供應(yīng)的多渠道和質(zhì)量檢測手段落后、不完善，檢測技術(shù)與質(zhì)量標準和國際不接軌，缺乏對原材料性能、結(jié)構(gòu)和成份進行配料等方面的工藝和技術(shù)研究，是造成陽極質(zhì)量差的根本原因。 鋁電解槽炭陽極之所以用石油焦做陽極，是因為在所有來源廣、成本低且純度高的炭素材料中，非石油焦莫屬。評價鋁電解槽炭陽極的質(zhì)量指標有多個方面，如密度、孔隙度、強度、電導率、導熱率、抗氧化性能、對CO2的反應(yīng)性能、透氣率、抗熱沖擊性能等等。在這些質(zhì)量指標中，有些具有相關(guān)性，如電導率和導熱系數(shù)之間就有很強的相關(guān)性，這是所有固體導電材料固有的特性。陽極炭塊導電性與導熱性的好壞，同陽極炭塊和石油焦本身的煅燒溫度、炭塊密度和孔隙度大小有關(guān)。導熱性、導電性好的陽極炭塊必然有較好的抗氧化性能。 對工業(yè)鋁電解槽來說，比較直觀的是看重炭陽極的導電、導熱性能和抗氧化性能。因為這些性能好的陽極可以承受更大的電流密度，陽極電壓降低，抵抗高溫氧化的能力強，陽極消耗少。這些優(yōu)點是鋁電解槽提高電流效率、降低電能消耗的基本保障。 電流密度，屬于低電流密度電解槽。目前世界上最大的最先進的法國AP50(500kA)。這意味著，同樣大小電解槽在其它技術(shù)經(jīng)濟指標不變的情況下，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。高電流密度電解槽代表著先進的鋁電解槽設(shè)計和技術(shù)水平，過去我國電解鋁廠一直認為，提高電解槽的電流密度最大的技術(shù)障礙是陽極質(zhì)量問題，我國電解鋁廠陽極質(zhì)量低，不能承受更大的陽極電流密度。但最近的湖北華盛鋁廠60kA改成75kA小預焙陽極電解槽，使用國產(chǎn)陽極。實踐證明我國電解鋁廠，使用優(yōu)良的國產(chǎn)陽極炭塊。 電流效率不論從理論上，實踐上，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現(xiàn)的。因此提高鋁電解槽的電流效率基本上有4種方法：，即增加鋁液鏡面動力學的穩(wěn)定性；，如減少電解槽陽極到邊部的距離，或在相同的大面和小面寬度下采用更大電流強度的電解槽。理論上如果在磁場影響和其它設(shè)計參數(shù)不變的情況下，大槽子應(yīng)該比小槽子有更高的電流效率； ，這與電解質(zhì)的成份和溫度有關(guān)；。應(yīng)該說，在這4種方法中，前兩個是與電解槽的設(shè)計和電解槽操作的穩(wěn)定性有關(guān)的，第三種方法則完全是鋁電解槽操作的工藝條件，即對電解成份和溫度的選擇有關(guān)的，而最后一種方法，即與電解槽的設(shè)計和電解槽的操作的穩(wěn)定性有關(guān)，也與電解槽工藝條件的選擇有關(guān)。目前，國際上電解鋁廠電流效率最高的電解槽當屬Pechiney在加拿大魁北克的325kA電解槽系列，％，Al，Al(Al)。目前世界上最大的500kA電解槽AP50，長18m，寬5m，％，％，也接近96％。令人驚奇的是這么高的電流效率是在973℃(325kA槽)、963℃(500kA槽)℃(325kA槽)、℃(500kA槽)的技術(shù)條件下取得的。這是當今國外采取的高電解溫度、較高電解質(zhì)初晶溫度、低過熱度、高電解槽穩(wěn)定性、低電解質(zhì)電阻、低過電壓、低效應(yīng)系數(shù)、高電流效率的鋁電解槽工藝操作技術(shù)路線。我國同類型的300kA電解槽的電流效率一般在93％左右，系列年平均電流效率很難突破94％，％左右。在我國電解鋁廠中，一直習慣于用傳統(tǒng)的低溫、低分子比來提高電流效率的方式組織生產(chǎn)。這也不能說完全不對，實驗研究表明，低溫、低電解質(zhì)分子比確實有降低鋁在電解質(zhì)熔體中的溶解度和溶解速度，減少鋁的溶解損失，顯著提高電流效率的作用。但低溫、低電解質(zhì)分子比的負面作用是，電解質(zhì)成份的穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性大大降低，由于電解質(zhì)成份不穩(wěn)定性增加，容易產(chǎn)生沉淀，而沉淀又不容易溶解，槽幫不結(jié)殼，伸腿過長、過大，造成水平電流大，槽電壓不穩(wěn)，鋁水擺動大，效應(yīng)系數(shù)多，電解質(zhì)電阻大，反電動勢高等缺點。而不容易使低溫、低分子比操作達到理想的提高電流效率的目的。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。加拿大鋁冶金專家Utigard從鋁和電解質(zhì)的表面張力、電導、相圖、過熱度、電解質(zhì)成份的穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性等各方面，綜合分析并得出了使電解槽實現(xiàn)穩(wěn)定的基本技術(shù)條件是，電解質(zhì)溫度應(yīng)不低于955℃，對于添加有LiF的電解質(zhì)的電解溫度應(yīng)不低于940℃。 過熱度對我國電解鋁廠來說，過熱度是一個新概念，所謂過熱度即電解質(zhì)溫度與電解質(zhì)初晶溫度之差。一般認為，最好的電流效率是在不失去電解槽的穩(wěn)定性的情況，用盡可能低的電解溫度實現(xiàn)的。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。有些文獻報道，電解溫度每降低10℃，可使電流效率提高2％～3％。實驗室研究表明，降低電解溫度會使電流效率連續(xù)升高，但在工業(yè)電解槽上，當過熱度恒定時，電解溫度的高低對電流效率幾乎是沒有什么影響。國際著名的鋁冶金專家豪平(Haupin)對大量的電流效率數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明，電解槽的電流效率更依賴于過熱度，而不是電解質(zhì)溫度，其原因現(xiàn)在尚未搞清。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?shù)倪^熱度會使電解槽形成較好的槽幫結(jié)殼。而最近Solheim研究指出，較低的過熱度可以在鋁陰極表面沉積一層冰晶石殼膜，因而可阻止鋁的溶解損失，提高電解槽的電流效率。Haupin也同意這種觀點。然而過熱度太低時也會引起過多的冰晶石沉積和沉淀，而導致電解槽的不穩(wěn)定。因此，最佳的電解質(zhì)過熱度必須由實踐加以確定。最佳的過熱度的大小應(yīng)與電解質(zhì)的分子比、電解質(zhì)初晶溫度有關(guān)。分子比較低時，需要適當提高一點過熱度，因為在此時，電解質(zhì)的初晶溫度的變化受電解質(zhì)分子比變化的影響較大。目前國外大型預焙陽極電解槽的過熱度一般在8～10℃，℃，電解質(zhì)的初晶溫度953℃，％；AP35(350kA)電解槽，～，℃，℃，％。由此可見，國外大型預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。我國電解鋁廠目前也開始對這一技術(shù)問題加以重視。我們與沈陽東英冶金工程科技有限公司共同用自己開發(fā)和制造的儀器，對撫順鋁廠200kA系列電解槽電解質(zhì)初晶溫度、電解溫度和過熱度進行測量得出，電解質(zhì)熔體的過熱度在9～20℃之間，各電解槽電解質(zhì)初晶溫度和過熱度的差別較大?？偟膩碚f，我國電解鋁廠電解質(zhì)的初晶溫度較低，而過熱度較大，％左右。參照法國彼斯涅鋁電解的操作經(jīng)驗，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。如果全國鋁廠都能將過熱度作為一個重要的工藝技術(shù)參數(shù)加以控制并確定在8～10℃的范圍內(nèi)，可以預見，我國電解鋁廠電解槽的電流效率將會打破現(xiàn)在的水平，上升到一個新水平。 本設(shè)計的目的和內(nèi)容（1）設(shè)計目的本次設(shè)計主要是讓我們對電解鋁廠的主要設(shè)備進行設(shè)計計算，讓我們學會怎樣去設(shè)計一個電解鋁廠，包括鋁電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計，電解槽的能量平衡、物料平衡、熱平衡等的計算。我設(shè)計了電解鋁的廠房、生產(chǎn)流程和設(shè)備的連接，對電解的工藝流程進行了選擇。這次的設(shè)計可以使我把以前學過的知識和實際的生產(chǎn)聯(lián)系起來。讓我們更好的了解實踐與理論的差異和聯(lián)系。（2）設(shè)計內(nèi)容1）通過查閱資料和實習，了鋁冶煉工藝的原料及產(chǎn)品，以及國內(nèi)外鋁冶煉工藝的技術(shù)進展。確定本設(shè)計冶煉工藝，寫出文獻綜述。2）據(jù)給定的已知條件以及相關(guān)設(shè)計參數(shù)的選擇，進行電解系統(tǒng)設(shè)備的計算及選型。3）主要技術(shù)指標的選擇與論證；物料平衡、能量平衡；電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計等。 4）設(shè)計圖紙（繪制工藝流程圖、電解車間設(shè)備圖及電解槽構(gòu)造圖3張）。5）編寫工藝設(shè)計說明書，完成10000字以上的設(shè)計論文一篇。2 電解槽的設(shè)計及相關(guān)計算本設(shè)計要求鋁年產(chǎn)量為18萬噸，通過比較，選擇中間下料預焙陽極電解槽，設(shè)計電流強度為300KA，電流效率為94%。 基礎(chǔ)計算(1)單槽日產(chǎn)量電解槽日產(chǎn)原鋁量按下式計算 Q=（t/d）,式中： ———鋁的電化學當量, g/(Ah)I———電流強度,Aη———電流效率,%t———日工作時間,hQ=106=300100024106=(t/臺天)(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)N計算如下N=式中：Q———電解槽日產(chǎn)原鋁量 （t/臺天）α———年工作天數(shù) 定為340天N=180000/340=233（臺）2）備用槽槽數(shù)n=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2000———電解槽內(nèi)襯平均壽命 d n=t=23330/2000= 取為4臺3）電解槽理論噸鋁直流電耗的計算W=10(KWh/t)式中 :V———電解槽平均電壓 W=10=12895(KWh/t)4）電流密度電流密度也是鋁電解槽的一個重要技術(shù)參數(shù)，隨著電解槽電流強度的提高，電流密度降低，電解槽電流密度的降低，單位產(chǎn)品的電耗會隨之下降，這使鋁的單位成本降低。但同時電流密度的降低又會使電解槽尺寸加大，使基建投資等費用增加。反映到成本上，又使成本增加。因此，在一定條件下，應(yīng)有一個最適宜的電流密度。在此電流密度下，作用相反的因素互相處于那樣一種條件下，使得生產(chǎn)單位成本達到最低，此時的電流密度即成本電流密度D。D=式中: D———成本方面的經(jīng)濟電流密度 A/cm2 A———電解槽及所有附屬設(shè)備，建筑物與低平等的費用ε———電價 元/(KWh)β———電解槽的總電阻包括效應(yīng)電阻平均值 ?由于經(jīng)濟電流密度的計算需要大量技術(shù)經(jīng)濟資料，而這些資料的獲得，總是帶有或大或小的誤差，一定程度上影響到計算結(jié)果的準確性，所以目前鋁電解槽設(shè)計中多采用經(jīng)驗值，此處參考法鋁300KA預焙陽極電解槽經(jīng)驗數(shù)據(jù)。D = A/cm（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)。一般說來，電解槽容量越大，則陽極尺寸也要越大一些。預焙陽極炭塊尺寸，視陽極排列與組數(shù)不同，長度各異，而寬度在500750 mm之間。在這里，炭塊的高度是一個主要參數(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)計陽極尺寸設(shè)計為1550mm1335mm600mm。陽極炭塊數(shù)目,陽極電流密度:I= A/cm，則陽極總面積S 陽為：S陽== cm每塊陽極的水平截面積S=155= cm故需陽極炭塊數(shù)目 N=陽極炭塊組由陽極鋁導桿，鋁鋼爆炸焊片，鋼連接板梁，鋼爪頭和陽極炭塊組成，陽極鋁導桿長2278mm，斷面為130mm130mm純鋁材質(zhì)， A/mm2；鋁鋼爆炸焊片其中鋁板規(guī)格165mm165mm12mm，鋼板規(guī)格165mm165 mm40mm。鋁鋼接觸面積超過98%，，耐熱不小于350℃。鋼連接板