【正文】 鋁電解的長(zhǎng)久地經(jīng)濟(jì)效益[11]。具有充裕、穩(wěn)定而廉價(jià)的電力供應(yīng)條件，是電解鋁廠廠址選擇必須首先考慮的因素。評(píng)選出經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益最優(yōu)的廠址，總結(jié)過(guò)去的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，廠址選擇應(yīng)遵循一定的基本原則：符合鋁工業(yè)的總體布局；充足的電、水能源供應(yīng)；靠近原料生產(chǎn)基地或產(chǎn)品消費(fèi)主要地點(diǎn)；發(fā)達(dá)的交通運(yùn)輸基礎(chǔ)；合適的建設(shè)場(chǎng)地條件；滿足環(huán)境保護(hù)的要求；良好的外部協(xié)作環(huán)境；良好的地理?xiàng)l件[10]。第二章 廠址選擇與論證廠址的選擇不僅直接影響基建投資、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和發(fā)展，還影響地區(qū)的交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鎮(zhèn)建設(shè)等的發(fā)展。建造時(shí)要采用高質(zhì)量的砌筑材料和進(jìn)行精確的施工。為了延長(zhǎng)鋁電解槽的使用壽命，要從多方面采取措旎。鈉是由兩種反應(yīng)產(chǎn)生的，一種是鈉離子在陰極上放電生成的，另一種是鋁和電解質(zhì)中氟化鈉起反應(yīng)置換出鈉。這些破損現(xiàn)象彼此相互聯(lián)系，可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。同時(shí)碳陰極下部的耐火磚和保溫材料中也發(fā)生嚴(yán)重變化，鋼質(zhì)槽殼也伴有嚴(yán)重變形或破裂。鋁電解槽破損停槽的主要標(biāo)志為槽內(nèi)鋁液中鐵含量連續(xù)不斷的增加以至于超過(guò)1％，表明碳陰極已發(fā)生破損，鋼質(zhì)陰極棒已被鋁液侵蝕，此時(shí)需停槽大修。 使用壽命鋁電解槽的陰極內(nèi)襯在使用一段時(shí)期后就會(huì)破損，這時(shí)候便需停槽大修。預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽用帶有筋板的鋁板構(gòu)成多片單槽罩或整體槽罩，將電解槽密封。氣體回收裝置 側(cè)插棒自焙陽(yáng)極鋁電解槽帶有鋼質(zhì)卷簾或吊門(mén)，將電解槽加以密閉，由排煙管將煙氣導(dǎo)出。現(xiàn)代化大容量預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽一般采用橫向排列，母線配置采用多端(4端或5端)進(jìn)電方式。鋁母線的配置方式，視電解槽的排列方式和容量的不同而異。 母線裝置由陽(yáng)極母線、陰極母線和立柱母線組成。大容量鋁電解槽的陽(yáng)極升降，一般選用蝸輪絲杠或滾珠絲杠搖板式機(jī)構(gòu)。打洞加料自動(dòng)進(jìn)行，間隔時(shí)間短的不過(guò)3min，長(zhǎng)者為1～2h。下料機(jī)構(gòu)包括4～6個(gè)打殼錘頭和相同數(shù)量的定量加料倉(cāng)。陽(yáng)極碳?jí)K表面噴一層鋁液以防止其氧化，也有不噴鋁液的。鋁導(dǎo)桿與鋼爪通常采用爆炸焊聯(lián)接，鋼爪置入碳?jí)K上的洼穴(碳碗)中，鋼爪和碳碗間澆注磷生鐵。陽(yáng)極碳?jí)K組由陽(yáng)極碳?jí)K、鋼爪和鋁導(dǎo)桿三部分組成。由陽(yáng)極碳?jí)K組和陽(yáng)極升降機(jī)構(gòu)組成。與此同時(shí)靠輔助升降機(jī)構(gòu)以精確的相等速度提升陽(yáng)極框套的位置，其結(jié)果是陽(yáng)極框套的位置移動(dòng)等于零，它相對(duì)于槽殼并未作任何移動(dòng)，但陽(yáng)極可以下降，補(bǔ)償其消耗。陽(yáng)極有兩套提升機(jī)構(gòu)。鋼質(zhì)導(dǎo)電棒由上部垂直插入陽(yáng)極糊內(nèi)，分4排插入，高度分若干層次。陽(yáng)極框套由鋼板和型鋼焊接而成，框套內(nèi)填充陽(yáng)極糊。(2)上插棒自焙陽(yáng)極鋁電解槽的陽(yáng)極裝置。陽(yáng)極棒用銅質(zhì)導(dǎo)電片來(lái)與陽(yáng)極大母線聯(lián)接。陽(yáng)極棒一般有4排，排向距離200mm，其中下面的兩排棒通電，上面的兩排作為后備。角度插入陽(yáng)極糊內(nèi)。陽(yáng)極框架由鋼板和型鋼焊接而成。(1)側(cè)插棒自焙陽(yáng)極鋁電解槽的陽(yáng)極裝置。167。近年來(lái)，大型鋁電解槽，特別是中部加料預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽的側(cè)部保溫層有所減薄，以利于凝結(jié)固體電解質(zhì)作為保護(hù)層。槽膛側(cè)壁有一層或兩層陰極碳?jí)K。有些電解槽為提高爐底導(dǎo)電性和減去縱向中縫，特意采用通長(zhǎng)陰極碳?jí)K，其中放置一根通長(zhǎng)陰極棒。陰極碳?jí)K組在槽殼內(nèi)排成兩行，碳?jí)K組與碳?jí)K組間用碳糊搗固或用碳糊漿液灌注。陰極碳?jí)K組由陰極碳?jí)K同埋設(shè)其中的導(dǎo)電鋼棒(陰極棒)組成。槽膛底部是一層陰極碳?jí)K，其下面依次是炭素墊、耐火磚層和保溫磚層，有的用氧化鋁或其他保溫材料取代保溫磚層或部分保溫磚層。槽殼用型鋼和鋼板焊成。 陰極裝置 由槽殼、陰極碳?jí)K、側(cè)部碳?jí)K、耐火磚和保溫材料組成。 鋁電解槽與電解槽系列工業(yè)鋁電解槽的基本結(jié)構(gòu)主要包括陰極裝置、陽(yáng)極裝置、母線裝置和氣體回收裝置等[8]。圖11 鋁電解槽系列配置圖為了減少鋁工業(yè)溫室氣體的排放，全球鋁工業(yè)也致力于研制惰性陽(yáng)極和惰性陰極等鉛電解新工藝，一旦成功，將在節(jié)能減排上取得新進(jìn)展。陽(yáng)極氣體中含有70%~80% CO2和20%~30%CO，還含有少量氟化物和SO2等氣固混合物，經(jīng)過(guò)凈化之后，廢氣排放入大氣，收回的固體氟化物返回電解槽[5]。電解產(chǎn)物在陰極上是鋁液，陽(yáng)極上是CO2和CO氣體。 鋁電解過(guò)程描述 現(xiàn)代鋁電解生產(chǎn)主要采取冰晶石氧化鋁熔鹽電解法，采用炭素陽(yáng)極和炭素陰極。因預(yù)焙陽(yáng)極的消耗使得其中的雜質(zhì)被還原后以硅、鐵、鈦、釩等元素雜質(zhì)進(jìn)入到鋁液中，故對(duì)預(yù)焙陽(yáng)極的理化指標(biāo)要求嚴(yán)格，在化學(xué)成分上要求灰分越低越好，尤其是對(duì)硅、鐵、鎳、釩、鈉、硫等的控制，在物理性能上要求比電阻和氣孔率要小。采用預(yù)焙陽(yáng)極的好處是避免了自焙陽(yáng)極在電解過(guò)程中有瀝青煙和其他有害氣體的散發(fā)，同時(shí)使用預(yù)焙陽(yáng)極后槽電壓降低，更有利于電解槽大型化和自動(dòng)化控制。預(yù)焙陽(yáng)極炭塊是利用一定粒度、配比的石油焦和殘極，與一定比例的煤瀝青(黏結(jié)劑)，經(jīng)過(guò)混捏、成型、焙燒而成的陽(yáng)極炭塊。167。(5)氟化鎂氟化鎂(MgF2)和氟化鈣的作用基本相似，對(duì)爐幫形成起礦化劑作用，但在降低電解質(zhì)溫度，改善電解質(zhì)性質(zhì)，分離炭渣，提高電流效率和電解質(zhì)導(dǎo)電率方面比氟化鈣的作用更為明顯，實(shí)踐證明這是一種較好的添加劑。新槽啟動(dòng)時(shí)多添加氟化鈣，它的作用主要是對(duì)爐幫的形成有好處，可使?fàn)t幫比較堅(jiān)固，同時(shí)也可降低電解質(zhì)的初晶溫度，從而降低電解溫度。但在多數(shù)工廠用碳酸鈉代替氟化鈉，這樣更加經(jīng)濟(jì)。因氟化鋁用量也較大，它沒(méi)有熔化溫度，只有升華溫度，沸點(diǎn)為183℃，易揮發(fā)和飛揚(yáng)，故在向槽內(nèi)添加時(shí)應(yīng)注意操作方法。(2)氟化鋁氟化鋁(AlF3)是一種白色的細(xì)微粉末，屬菱形六面體結(jié)構(gòu)，其顆粒比氧化鋁稍大, 流動(dòng)性次之，它是冰晶石氧化鋁熔液的一種添加劑。目前，冰晶石是鋁電解生產(chǎn)中最理想的一種熔劑。氟化鈉與氟化鋁的摩爾比稱為冰晶石的分子比，分子比為3時(shí)稱為中性，分子比大于3時(shí)稱為堿性，小于3時(shí)稱為酸性，~。冰晶石的分子式為Na3AlF6，或?qū)懗?NaF因此現(xiàn)代鋁工業(yè)則使用合成的人造冰晶石，為灰白色的粉末，易黏于手，不溶于水，熔點(diǎn)為1012177。(1)冰晶石冰晶石分天然和人造兩種。167。生產(chǎn)每噸鋁所需的Al2O3量，從理論上計(jì)算等于1889 kg。其中αAl2O3含量達(dá)到80%。其中α Al2O3含量少于10%~15%，γAl2O3含量較高，具有較大的活性，適于在干法凈化中用來(lái)吸附 HF 氣體，在半連續(xù)下料的電解槽上載氟氧化鋁可用作原料，故砂型氧化鋁得到廣泛應(yīng)用。砂型氧化鋁呈球狀，顆粒較粗，安息角小，只有30176。這些物理性能取決于氧化鋁晶體的晶型、形狀和粒度。在氣體凈化中，要求它具有較好的活性和足夠的比表面積，從而能夠有效地吸收氟化氫氣體。(2)物理性能工業(yè)氧化鋁的物理性能，對(duì)于保證電解過(guò)程正常進(jìn)行和提高氣體凈化效率，關(guān)系很大。P2O5等高價(jià)氧化物雜質(zhì)則會(huì)降低電流效率。在電解過(guò)程中，那些電位比鋁正的元素的氧化物雜質(zhì)，如二氧化硅、三氧化二鐵都會(huì)優(yōu)先還原，還原出來(lái)的 Si 和 Fe等雜質(zhì)進(jìn)入鋁內(nèi)，從而使鋁的品位降低，且降低電流效率；而那些電位比鋁負(fù)的元素的氧化物雜質(zhì)，如氧化鈉、氧化鈣會(huì)分解冰晶石，使電解質(zhì)組成發(fā)生改變并增加氟鹽消耗量。為了取得良好的生產(chǎn)指標(biāo)，對(duì)氧化鋁的要求是非常嚴(yán)格的，主要體現(xiàn)在化學(xué)純度和物理性能上。氧化鋁有7種晶型，最常見(jiàn)的是αAl2O3，又稱剛玉型氧化鋁。167。167。為了大幅度提高電解法能量效率和減少二氧化碳排放量，國(guó)外開(kāi)展力求降低陰陽(yáng)極之間電壓降的工業(yè)試驗(yàn)，采用炭陽(yáng)極開(kāi)溝槽、TiB2可濕潤(rùn)陰極、惰性陽(yáng)極、導(dǎo)流式或雙極多室式新型結(jié)構(gòu)電解槽[7]等新工藝新技術(shù)新材料新設(shè)備。對(duì)鋁電解產(chǎn)生的廢渣、廢槽襯等廢物料實(shí)行有價(jià)成分再生回收并循環(huán)利用，或?qū)ζ渥鰺o(wú)害化處理，減輕鋁電解工業(yè)廢物對(duì)環(huán)境污染。開(kāi)發(fā)應(yīng)用抗熔體滲透的槽襯耐火材料、熱電偶套管、優(yōu)質(zhì)炭素陰陽(yáng)極、可濕潤(rùn)陰極和惰性陽(yáng)極等新型材料。在高電流密度、高槽電壓、高電解溫度條件下，通過(guò)槽電壓、分子比和過(guò)熱度的軟件程序控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電解槽的能量平衡、物料平衡和液固相平衡，即過(guò)熱度和爐幫伸腿構(gòu)成的固相電解質(zhì)槽膛內(nèi)型穩(wěn)定合理。應(yīng)用了半連續(xù)傳感器實(shí)時(shí)在線檢測(cè)控制溫度、過(guò)熱度、分子比、熔體高度和氧化鋁濃度。國(guó)外鋁電解的數(shù)學(xué)模型、傳感器、控制和新材料等功能化技術(shù)水平較高。h/t(Al)，槽壽命達(dá)2000天。其具有如下幾個(gè)特點(diǎn)[6]：(1)陽(yáng)極電流密度較高，單位陰極面積產(chǎn)能大。h/t(Al)。國(guó)外大容量(300 kA以上)，主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)：電流效率93%~95%，直流電耗13000~13500 kW目前正在開(kāi)發(fā)450~500kA電解槽,預(yù)計(jì)將開(kāi)展RA500電解槽試驗(yàn)。該系列是在原300 kA電解槽技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的第二代超大型電解槽，該槽日產(chǎn)量3t，電流效率94%，電耗13800 kW繼法國(guó)AP18和AP30型電解槽技術(shù)后，AP50技術(shù)[6]已問(wèn)世。 世界鋁電解工業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀目前，電解鋁工業(yè)仍以改善和提高霍爾埃魯法電解槽技術(shù)水平為主，著力于節(jié)能減排，降低能耗、物耗和原鋁成本，在從源頭上就減少氣固廢物料污染的同時(shí)，加強(qiáng)廢物料廢鋁的無(wú)害化和資源化處理，實(shí)現(xiàn)資源再生和循環(huán)利用，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和擴(kuò)大產(chǎn)品種類。槽左右。總的來(lái)說(shuō)，目前就我國(guó)電解鋁整體生產(chǎn)狀態(tài)而言，能源綜合利用效率要比國(guó)際先進(jìn)水平低15%左右，主要表現(xiàn)在：電流效率相差23個(gè)百分點(diǎn)；噸鋁電耗相差300~800kwh；電解鋁用陽(yáng)極生產(chǎn)過(guò)程能耗相差30kg/t左右；噸電解鋁陽(yáng)極消耗相差3060kg(折合標(biāo)準(zhǔn)煤約75~150kg)；電槽槽壽命相差1000天左右；我國(guó)300kA級(jí)的特大型預(yù)焙鋁電解槽投入工業(yè)應(yīng)用的時(shí)間短，又不能完全照搬以前在大型預(yù)焙槽上的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)(這些經(jīng)驗(yàn)也有很大局限性)。隨著電解槽容量的不斷擴(kuò)大，槽壽命問(wèn)題就更加突出。影響我國(guó)大型槽槽壽命的問(wèn)題除了我國(guó)普遍認(rèn)為的陰極炭素材料質(zhì)量方面的原因外，電解槽的設(shè)計(jì)、筑爐材料、筑爐質(zhì)量、焙燒啟動(dòng)、正常生產(chǎn)操作及生產(chǎn)管理等方面均存在一些問(wèn)題。由于大容量電解槽一般系列規(guī)模較大(一個(gè)系列產(chǎn)能可達(dá)20萬(wàn)噸以上)，巨大的用電負(fù)荷集中在一個(gè)生產(chǎn)系列上(一般達(dá)40萬(wàn)kW以上)，電解系列生產(chǎn)的任何波動(dòng)都會(huì)造成電網(wǎng)或自備電廠較大的影響，甚至威脅供電安全?！鄶?shù)在大負(fù)荷、小電網(wǎng)環(huán)境下運(yùn)行，安全隱患多。 ——實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)差。大容量電解槽的開(kāi)發(fā)，使我國(guó)鋁電解技術(shù)總體上達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，電解鋁工業(yè)的面貌發(fā)生了根本的改變。許多突出的技術(shù)問(wèn)題，與我國(guó)鋁電解技術(shù)自70年代末引進(jìn)160kA中間下料預(yù)焙槽技術(shù)之后，從消化國(guó)外技術(shù)開(kāi)始，揭開(kāi)了我國(guó)現(xiàn)代鋁電解技術(shù)發(fā)展的序幕，以鋁電解槽熱電磁力特性及磁流體數(shù)學(xué)模型研究為核心，在工藝、材料、過(guò)程控制及配套技術(shù)等方面展開(kāi)了廣泛深入的研究工作。這些新工藝新方法有待進(jìn)一步的研究完善和工業(yè)性的試驗(yàn)。我國(guó)第一個(gè)500kA系列的288臺(tái)電解槽于2011年在甘肅連城建成、投產(chǎn)。現(xiàn)代鋁電解槽正向大型化發(fā)展，電解槽由20世紀(jì)70年代的10萬(wàn)A發(fā)展到現(xiàn)在的35萬(wàn)~50萬(wàn)A，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在電解槽上的應(yīng)用，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)大大提高。電解法早期采用小型預(yù)焙電解槽，1923年側(cè)插陽(yáng)極棒自焙陽(yáng)極電解槽發(fā)明后，電解槽的電解容量增大，生產(chǎn)指標(biāo)隨之好轉(zhuǎn)，促進(jìn)了鋁工業(yè)的發(fā)展，1952年上插陽(yáng)極棒連續(xù)自焙陽(yáng)極電解槽系列投產(chǎn)并取得良好的生產(chǎn)指標(biāo)。瑞士冶煉公司也在同時(shí)采用該法煉鋁。電解法原理就是將氧化鋁溶解在熔融的冰晶石電解質(zhì)中，通入直流電，進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)得到金屬鋁。1886年美國(guó)霍爾(Hall)和法國(guó)埃魯(Heroult)通過(guò)實(shí)驗(yàn)不約而同地申請(qǐng)了冰晶石氧化鋁熔鹽電解法煉鋁的專利，獲得批準(zhǔn)。直到1867年發(fā)明了發(fā)電機(jī)，并在1880年加以改進(jìn)之后，實(shí)現(xiàn)了三相交流輸電，這才給實(shí)現(xiàn)工業(yè)性的電解法煉鋁提供了前提條件。在采用化學(xué)法煉鋁期間，1854年德國(guó)本生(Bunsen)和法國(guó)德維爾(Deville)繼英國(guó)戴維(Davy)之后研究電解法煉鋁，試驗(yàn)了各種以冰晶石為基礎(chǔ)的混合熔鹽與氧化鋁的電解法。1865年, 俄國(guó)別開(kāi)托夫(Векетов)提議用鎂還原冰晶石來(lái)生產(chǎn)鋁。1854年，法國(guó)德維爾(Deville) 用鈉代替鉀還原NaClAlCl3配合鹽，制取金屬鋁。金屬鋁最初用化學(xué)法制取。 167。同時(shí)，它還是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ么毒吆鸵恍┭b飾品的主要原材料。(5)食品包裝材料因鋁是無(wú)毒性的金屬材料，所以在食品包裝方面也得到了廣泛應(yīng)用。(4)耐腐蝕材料由于鋁表面有一層很堅(jiān)硬、致密的氧化鋁薄膜，所以它有很好的耐腐蝕性。它的應(yīng)用主要是用鋁合金型材制作房屋的結(jié)構(gòu)架和門(mén)窗柜櫥一類的設(shè)施，以此代木，經(jīng)久耐用，美觀大方。此外，國(guó)防工業(yè)、宇宙航空航天工業(yè)的用鋁量也在日益增長(zhǎng)。 kg鋼材，這樣就大大減輕了車體的質(zhì)量，這對(duì)節(jié)約燃料是非常有利的。(1)輕型結(jié)構(gòu)材料因鋁及其合金質(zhì)輕，機(jī)械性能好，易加工，所以已成為當(dāng)今制造各種交通運(yùn)輸工具的不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。鋁工業(yè)現(xiàn)在是世界上最大的電化學(xué)冶金工業(yè)，鋁的產(chǎn)量在金屬中僅次于鋼鐵，居有色金屬之首。167。(10)鋁沒(méi)有毒性，可以用作食品包裝。鋁的再生利用率高，易與多種金屬構(gòu)成合金。(7)鋁沒(méi)有磁性，不產(chǎn)生附加的磁場(chǎng)，所以在精密儀器中不會(huì)起干擾作用?！?。固體和液體鋁的電阻率均隨溫度降低而減小，靠近0 K時(shí)，鋁的電阻率接近零。(4)電阻率小，純度為99%~%的鋁電阻率為(~)108Ω?m，在常用金屬中鋁的導(dǎo)電性僅次于銀和銅居第三位。(2)沸點(diǎn)高，液態(tài)鋁的蒸氣壓不高，沸點(diǎn)為2467℃。 鋁的性質(zhì)及用途167。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大部分鋁電解廠采用300kA級(jí)電解槽，本設(shè)計(jì)采用400kA大型鋁電解槽，不僅適應(yīng)了電解槽發(fā)展的大型化，而且引領(lǐng)著世界鋁電解行業(yè)發(fā)展方向，為我國(guó)鋁電解走國(guó)際化路線奠定了基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)具有投資省、容量大、經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)，單槽年產(chǎn)鋁量可增加100多噸，并且有利于提高集氣效率和改善環(huán)境。400kA大型預(yù)焙陽(yáng)極電解槽技術(shù)的研制開(kāi)發(fā)成功，為我國(guó)參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，提供容量更大、技術(shù)更先進(jìn)的電解槽技術(shù)打下了良好的基礎(chǔ)[3]。與之前的300kA和350kA級(jí)的電解槽相比，400kA級(jí)大型預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽技術(shù)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：優(yōu)化設(shè)計(jì)了合理的母線配置，提高了大型槽磁流體穩(wěn)定性；采用5段上煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于提高集氣效率和改善環(huán)境；采用電解廠房通風(fēng)和電解槽整體熱平衡相結(jié)合、搖籃架與槽殼整體焊接、槽殼外部焊接散熱片、電解槽小面采用搖籃架與槽殼焊接、電解槽槽殼和內(nèi)襯整體位于操作