【導讀】當今的鋁電解工業(yè)正在向著槽容量大型化發(fā)展。大型預焙陽極鋁電解槽上通過的強。大電流會產(chǎn)生強大的磁場,磁場與電解質及鋁液中的電流相互作用產(chǎn)生強大的電磁力,使鋁液發(fā)生循環(huán)流動。這不僅會降低電流效率,也給生產(chǎn)操作帶來一定困難。因此,對鋁液流場進行仿真具有重要的研究意義和實用價值。槽膛內(nèi)形計算出相應的鋁液流場。總結歸納300kA鋁電解槽鋁液流場的分布規(guī)律,并分。析產(chǎn)生各種結果的原因。這些結論可以為鋁電解槽的生產(chǎn)操作和優(yōu)化設計提供理論依。關鍵詞：300kA；鋁電解槽；雙陽極；大面五點進電；

　　

【正文】 術經(jīng)濟指標向著高產(chǎn)、優(yōu)質、低耗、長壽和低污染的方向加快進步電解鋁工業(yè)未來技術發(fā)展方向是高產(chǎn)、優(yōu)質、低耗、長壽和低污染，其涵義分別是：高產(chǎn) — 提高單槽及系列槽的鋁產(chǎn)量；優(yōu)質 — 提高鋁產(chǎn)品質量；低耗 — 減少電解鋁的電耗和氧化鋁原料及輔助物料消耗；長壽 — 提高電解槽的壽命；低污染 — 減少煙氣 (氟化氫和二氧化硫 )排放量，達到國家的環(huán)保標準。 西方國家先進電解鋁技術的發(fā)展，體現(xiàn)在技術經(jīng)濟指標的先進性上： 1)槽型大，電流強度達 300kA 以上； 2)電流效率高：一般達到 94%95%，個別企業(yè)已經(jīng)提高到 96%；3)噸鋁直流電耗低 ：一般為 1320013400kWh，個別企業(yè)已經(jīng)降低到 13000kWh。 （ 4） 世界鋁工業(yè)向電力充裕廉價、鋁土礦資源豐富的地區(qū)轉移 目前，世界原鋁生產(chǎn)成本中電費占據(jù)相當大的比重，因此，如何降低發(fā)電成本和電價，降低原鋁生產(chǎn)電耗，是鋁工業(yè)生存和發(fā)展的重要研究課題。 14 雖然日本是鋁的消費大國，但鋁產(chǎn)量卻從 1980 年的 110 萬 t 急劇下降到 1982 年的 萬 t，變成產(chǎn)鋁小國， 1989 年僅存一家蒲源鋁廠。日本現(xiàn)主要靠在海外投資來獲取金屬鋁，仍保持人均年耗鋁 28kg 的高水平。日本鋁工業(yè)的衰落，除資源貧乏之外，最主要的 是能源短缺，鋁用石油電價高達 美分 /kWh，超過國際鋁業(yè)平均用電價格 美分 /kWh 數(shù)倍。日本鋁工業(yè)的興衰發(fā)人深思，電價漸漸變成左右鋁工業(yè)發(fā)展的制約因素。當今世界鋁工業(yè)被迫向電力充裕廉價的地區(qū)轉移，向鋁土礦資源豐富區(qū)域和發(fā)展中國家轉移。例如加拿大、挪威、巴西、委內(nèi)瑞拉、澳大利亞、中國、巴林、南非等國家鋁工業(yè)迅猛發(fā)展，使世界鋁工業(yè)分布形成新的格局。 鋁的產(chǎn)消大國美國同樣因存在電價不低的緣故而沒有再建新廠，有些鋁廠盈利不大而處于關停邊緣。因此美國鋁產(chǎn)量呈低落趨勢。美國西部鋁用水電價為 美分 /kWh，沿海鋁用煤電價為 美分 /kWh，它采用鋁電價格掛鉤的辦法解決鋁的用電問題。 （ 5） 電解鋁新技術探索不斷進行 一些國家特別是西方國家企業(yè)正在研究開發(fā)電解鋁的最新技術，如為減少陽極消耗，美國鋁業(yè)公司開發(fā)出的惰性陽極濕潤性陰極電解技術正在進行工試驗；法國彼施涅公司開發(fā)出的 500kA 特大型電解槽正在試驗工業(yè)化生產(chǎn)；澳大利亞新建導流式電解槽；我國的低溫鋁電解技術研究等。這些新技術的探索應用，將大幅度提高單槽和系列槽的產(chǎn)量，而且更加重視環(huán)保和節(jié)能，進一步降低電解成本。 鋁電解的發(fā)展趨勢 世界鋁工業(yè)的組織結構日趨規(guī)?；?、集團化、國際化 此外，目前世界上新建鋁企業(yè)的規(guī)模都比較大。西方新建或改造電解鋁的起步規(guī)模平均在 2550萬噸之間。如加拿大鋁業(yè)公司投資 19億美元正在建設的阿爾瑪 （ Alma）鋁廠，年產(chǎn)能 40 萬噸； 2021 年 6 月，由比利頓（ Billiton）礦業(yè)公司控股的莫桑比克鋁冶煉公司，投資 10 億美元建設與一期相同的原 鋁能力 萬噸；法國普基鋁業(yè)公司計劃在委內(nèi)瑞拉建設一個年產(chǎn)能達 46 萬噸的電解鋁廠；幾內(nèi)亞擬在未來 45年內(nèi)投資 25 億美元新建一個年產(chǎn)能達 30 萬噸的電解鋁廠及相關項 目。年產(chǎn) 50 萬噸電解鋁的海灣巴林鋁廠擬擴產(chǎn)到 70 萬噸規(guī)模。擴大產(chǎn)能的目的是節(jié)約成本，提高勞動生產(chǎn)率，加強競爭力。 15 鋁電解槽日趨大型化或超大型化，其科技含量、智能化程度越來越高 冰晶石 氧化鋁電解法發(fā)明 110 多年來，電解槽設計逐漸合理，容量大幅度增加，其科技含量、智能化程度越來越高，發(fā)展大型或超大型高效率、智能化的鋁電解 槽已經(jīng)成為當今電解鋁企業(yè)技術進步的標志和趨勢，世界鋁電解工業(yè)的技術及裝備水平已經(jīng)有了很大提高，在生產(chǎn)規(guī)模、電解槽容量、計算機應用、機械化和自動化 程度以及煙氣治理等方面都有了較 大的進步變化。 電解鋁生產(chǎn)的技術經(jīng)濟指標向著高產(chǎn)、優(yōu)質、低耗、長壽和低污染的方向加快進步 西方國家先進電解鋁技術的發(fā)展，體現(xiàn)在技術經(jīng)濟指標的先進性上： 1）槽型大，電流強度達到 300kA 以上； 2）電流效率高，一般達到 94%95%，個別 企業(yè)已經(jīng)提高到96%； 3）噸鋁直流電耗低，一般為 1320013400kWh，個別企業(yè)已經(jīng)降低到 13000kWh。 世界鋁工業(yè)向電力充裕廉價、鋁土礦資源豐富的地區(qū)轉移 目前，世界原鋁生產(chǎn)成本中電費占據(jù)相當大的比重，因此，如何降低發(fā)電成本和電價，降低 原鋁生產(chǎn)電耗，是綠工業(yè)生存和發(fā)展的重要研究課題。 雖然日本是鋁的消費大國，但鋁產(chǎn)量卻一直下降。日本現(xiàn)在主要靠在海外投資來獲取金屬鋁，仍保持人均年耗鋁 28kg 的高水平。日本鋁工業(yè)的衰落，除資源貧乏 之外，最主要的是能源短缺，鋁用石油電價高達 美分 /kWh，超過國際鋁業(yè)平均用電價格 美分 /kWh 數(shù)倍。日本鋁工業(yè)的興衰發(fā)人深思， 電價漸漸變成左右鋁工業(yè)發(fā)展的制約因素。當今世界鋁工業(yè)被迫向電力充裕廉價的地區(qū)轉移，向鋁土礦資源豐富區(qū)域和發(fā)展中國家轉移。 16 表 7 原法國普基公司（ Pechiney） 的氧化鋁質量標準（元素含量以 104%表示） 17 2 廠址的選擇與論證 廠址選擇要根據(jù)國民經(jīng)濟建設計劃和工業(yè)布局的要求進行。廠址選擇適當與否，對企業(yè)的建設速度、建廠投資、生產(chǎn)發(fā)展、經(jīng)濟效益、環(huán)境保護及工農(nóng)關系等會帶來重大影響 [5]。 廠址選擇的一般原則是：應符合工業(yè)布局及區(qū)域性總體規(guī)劃和城市建設規(guī)劃的要求；要盡可能利用城鎮(zhèn)設施，節(jié)約投資；要靠近原材料、水、電供應充足和產(chǎn)品銷售便利的地方，有較好的交通運輸條件；要注意節(jié)約用地，少占或不占農(nóng)田，留有發(fā)展余地；要有適當?shù)淖匀坏匦魏瓦m宜的工 程地質、水文、地震等級條件及較好的協(xié)作條件等。 在進行廠址選擇時，應充分論證以下幾個問題： 工業(yè)布局問題 建設一座有色冶金廠，對全國的工業(yè)布局、一個區(qū)或一個城市的合理發(fā)展、各工業(yè)區(qū)之間的經(jīng)濟協(xié)調(diào)以及農(nóng)業(yè)發(fā)展等起著重要的作用，應根據(jù)工業(yè)布局 “大分散、小集中、多搞小城鎮(zhèn) ”的方針，按 “工農(nóng)結合，城鄉(xiāng)結合，有利生產(chǎn)，方便生活 ”的原則，進行廠址選擇和居住區(qū)規(guī)劃，使之符合工業(yè)布局總體規(guī)劃及城市建設規(guī)劃的要求。 原材料供應及交通運輸條件 有色金屬冶煉是連續(xù)性的，物料吞吐量一般很大。因此在進行廠址選擇時 必須從分考慮交通運輸問題。為了減少運輸費用，在保證良好的運輸條件下，應使廠址盡可能接近原材料基地和銷售市場。 供水、供電條件 有色冶煉廠一般是大量用水和耗電多的企業(yè)。因此希望廠址附近有充分的水源和電源。以供電為例，廠址距離電源每增加 1 公里，就需增加外部高壓輸電線投資 34 萬元，這不僅大大增加投資，而且影響建設進展，所以冶金企業(yè)應盡可能選擇在供電網(wǎng)經(jīng)濟供電半徑之內(nèi)使至關重要的。 環(huán)境保護和節(jié)約用地問題 有色冶金生產(chǎn)特點之一是無一例外地產(chǎn)出大量造成環(huán)境污染的 “三廢 ”物質，除必須 18 有完善的 “三廢 ”治理工程設計外，在選擇廠址時，必須盡量考慮在主導風向和主要水流的下游位置，安排好 “三廢 ”處理場地和廢渣堆放場地，要有良好的自然通風條件，并應考慮廠址附近居民點、城市發(fā)展規(guī)劃、農(nóng)牧漁業(yè)及旅游勝地、自然資源保護區(qū)等問題。 選廠址應注意節(jié)約用地。不占或少占良田好地，菜園，果園等；廠區(qū)的大小，形狀和其他條件應滿足工藝流程合理布置的需要，并應有發(fā)展的可能性。 廠址的工程地質及水文地質條件 冶煉廠的土建投資是相當大的，廠址地震等級的不同會對建筑結構及基礎工程的投資帶來很大的影響，所以廠址不能選在發(fā)震斷層地區(qū) 和基本烈度為 9 級以上的地震區(qū)。 此外，所選廠址的地耐力應不低于 ，地下水位最高也要低于基礎地面 ，廠址最低洼處要高于歷年最高洪水位 ；不能選在厚度較大的 Ⅲ 級自重濕陷性黃土地區(qū)和有泥石流或滑坡等危害的山區(qū)，廠址地下不宜有有用礦物礦藏或以開采的礦坑和溶洞等。 以下類型地區(qū)也應加以避免：易受洪水，泥石流，滑坡，土崩等危害的山區(qū)；有卡斯特，流砂，古河道，古井，淤泥，地下墓穴等地質不良地區(qū)；對機場，電臺等使用有影響的地區(qū)；國家規(guī)定的歷史文物，如古墓，古寺，古建筑；園林風景區(qū)和 森林保護區(qū)，風景游覽區(qū)；水土保護禁墾區(qū)和生活水源第一衛(wèi)生防護區(qū)；地方病流行地區(qū)。 廠址的協(xié)作條件 冶煉廠一般是機械化自動化水平較高的現(xiàn)代化企業(yè)，為保證企業(yè)生產(chǎn)順利進行，必須有充足的設備及備品備件供應，要有強有力的機械加工和維修能力。若廠址附近具備這些條件，便可發(fā)揮專業(yè)化協(xié)作的優(yōu)越性，減少輔助設施投資和降低生產(chǎn)成本。工廠在建設過程中的施工條件諸如磚瓦、砂石、石灰、水泥、木材等能否就地取材，施工力量和施工場地是否具備等，都對建設進度起著一定的作用。在廠址選擇時，應該充分考慮廠址附近是否具備這些條件，那 種片面強調(diào) “小而全 ”不重視專業(yè)化協(xié)作的做法是不恰當?shù)?，甚至是錯誤的。 19 3. 工藝設計 電解鋁生產(chǎn) 鋁電解的基本原理 目前，鋁工業(yè)生產(chǎn)一直采用冰晶石一氧化鋁熔鹽電解法。鋁電解主要原料為氧化鋁，副原料氟化鹽包括冰晶石、氟化鋁、氟化鈣、氟化鎂、碳酸鈉等，陽極原料（ 陽極和碳陽極）以及以及鋁電解能源 —直流電。 固體氧化鋁溶解在熔融冰晶石熔體中，當通入直流電后，即在兩極上發(fā)生電化學反映，在陽極上 得到氣態(tài)物質，陰極上得到液態(tài)鋁，其過程為：溶 解的氧化鋁 通入直流電 /960℃ → 液態(tài)鋁（陰極） +氣態(tài)物質（陽極） 。 鋁工業(yè)生產(chǎn)全部采用活性陽極，隨著電解過程的進行，陽極碳參與電化學反應，生成碳的化學物 —二氧化碳，反應式為： 2AL2O3（溶解的） +3C（固）直流電 →4A l（液） +3CO2（一次氣體） 其電極反應為： AL2O3（固）溶解、電離 →2A l3+（絡合狀） +3O2（絡合狀） . r r6 g8 P u6 w6 陰極： Al3+（絡合狀） +3e→A l（液） : W8 } E6 P }。 ]: 陽極： O2（絡合狀） —2e→O （原子） ) d) H9 Z/ p1 f( D 2O（原子） +C（固） →CO 2（氣） ! X8 L$ L5 D* w。 Y, 上述反應過程為當前鋁電解的基本原理，依據(jù)此原理，隨著反應不斷進行，電解質熔體中的氧化鋁，固體碳陽極不斷被消耗掉，因此，生產(chǎn)中需不斷向電解質中添加氧化鋁和碳陽極，使生產(chǎn)得以連續(xù)進行。冰晶石在高溫熔融狀態(tài)下會發(fā)生揮發(fā)損失和其他機械損失，電解過程中也須做一定補充。需要大量的直流電能進行電解過程。 實際生產(chǎn)中陽極氣體為 CO2（占 70%）和 CO（約占 30%）的混合物， CO 主要有電解過程中的副反應產(chǎn)生稱為二次氣體。 1 陰極過程 冰晶石（ Na3AlF6Al2O3）熔體中 Na+是電流的主要傳遞者，所傳輸?shù)碾娏鬟_到總數(shù)的 99%。在單一熔鹽電解過程中，傳輸電流的離子往往就是在電極上放電的離子。但是在復雜的熔鹽體系中，如冰晶石（ Na3AlF6Al2O3）熔體究竟是何種離子放電，則要根據(jù)它們的電極電位來確定。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，在復雜的熔鹽體系電解過程中，可能出現(xiàn)某種離子傳遞大部分電流，而在電極上放電的卻是另外的離子的現(xiàn)象。 在冰晶石 氧化鋁熔體中，已經(jīng)證實在 1000℃ 左右，純鈉的平衡析出電位比純鋁的約負 250mV。同時根據(jù)研究表明，在陰極上離子放電時，并不存在很大的過電壓（鋁 20 析出時的過電壓約 10100mV）。因此陰極上析出的金屬主要是鋁，即鋁是一次陰極產(chǎn)物。陰極反應是： Al3+（ 配離子 ） +3e=Al （ 31） 冰晶石（ Na3AlF6Al2O3）熔體中并不存在單獨的 Al3+，鋁是包含在鋁氧氟配離子中。因此， Al3+的放電之前首先發(fā)生含鋁配離子的解離，但也不排斥配離子直接放電的可能性。 然而，冰晶石（ Na3AlF6Al2O3）熔體中鈉和鋁析出電位的差值并非一成不變，而是隨著電解質摩爾比的增大、溫度的升高、 Al2O3濃度的減少以及陰極電流密度的提高等而縮小的。當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。 為保證鋁的一次反應充分進行，宜采用酸性電解質體系，在較低的溫度下電解，并維持盡可能大的 Al2O3濃度。此外槽內(nèi)還必須具備良好的傳質條件，防止 Na+在陰極上大量積聚。 2 陽極過程 冰晶石（ Na3AlF6Al2O3）熔體電解過程是比較復雜的。這是由于陽極與陰極不同，炭陽極本身也參與電化學反應。鋁電解時的陽極過程是配位陰離子中的氧離子在炭陽極上放電析出 O2，然后與炭陽極反應生成 CO2的。 2O2（配離子） + C4e = CO2 （ 32） 因此，一次陽極產(chǎn)物應該是 CO2 氣體。金詩伯和弗里格在陽極室用隔板隔開的電解槽上的試驗結果表明，除了電流密度很低 （ 178。）的情況外，陽極氣體幾乎都是純CO2。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中的鋁再氧化反應所致。 鋁電解的生產(chǎn)系統(tǒng)、工藝流程 鋁電解生產(chǎn)系統(tǒng)由電解、鑄造、陽極組裝、氧化鋁儲運、化驗室等車間和工段組成。 簡單來講，鋁電解生產(chǎn)所需的氧化鋁、氟化鹽由汽車從